DE102021125658A1

DE102021125658A1 - Ölkühlung einer elektrischen Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102021125658A1
Application number: DE102021125658.5A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Krank; Simon Strasinsky; Richard Baeumler; Nikola Brk; Matthias Lepschi; Robin Marotzke
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2023-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlölkreislauf für eine elektromotorische Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs, wobei die Antriebseinheit eine elektrische Antriebsmaschine und ein Ausgangsgetriebe aufweist, aufweisend eine Ölpumpe zur Förderung eines Ölmassestroms aus einem Ölsammler der Kühlölkreislaufs, einen Maschinenkühlpfad zur Kühlung der elektrischen Antriebsmaschine, der sich stromaufwärts einer Maschinenkühlstrecke einen Wärmetauscher zur Kühlung des Kühlöls passiert, sowie einen Getriebetemperierpfad zur Kühlung des Ausgangsgetriebes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlölkreislauf für eine elektromotorische Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs, eine elektromotorische Antriebseinheit und ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlölkreislaufs.
Bei verschiedenen bekannten, elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugen wird die elektrische Antriebsmaschine mit einem elektrisch nichtleitenden Öl, beispielsweise einem Getriebeöl, als Kühlmittel gekühlt. Das Öl wird hierbei in der Regel sowohl zur Schmierung und Kühlung der Antriebsmaschine als auch zur Kühlung von deren Ausgangsgetriebe verwendet. Hierbei kommt typischerweise ein Öl-Wasser-Wärmetauscher zum Einsatz, der die eingebrachte Wärme aus dem Öl an den Fahrzeug-Kühlkreislauf abgibt. Die Antriebsmaschine und ihr Ausgangsgetriebe verfügen normalerweise über einen gemeinsamen Ölsumpf (nachfolgend auch als Ölsammler bezeichnet). Daraus wird das Öl mittels einer elektrischen oder mechanischen Ölpumpe in einen Öl-Wasser-Wärmetauscher gepumpt. Im Wärmetauscher gibt das Öl Wärme an den Fahrzeugkühlkreislauf ab. Vor der Ölpumpe, vor dem ÖI-Wasser-Wärmetauscher oder nach dem Öl-Wasser-Wärmetauscher kann ein Ölfilter zur Filterung von Partikeln und zur Entschäumung des Öls integriert sein. Ein Teil des Öl-Massestroms wird zur Schmierung des Getriebes verwendet (z.B. Lager, Zahneingriff, etc.), und ein Teil des Öl-Massestroms wird zur Kühlung der Antriebsmaschine verwendet. Ein derartiger Kühlölkreislauf ist beispielsweise aus der DE 10 2017 201 117 A1 bekannt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Temperierung einer elektromotorischen Antriebseinheit zu verbessern.
Jeder der unabhängigen Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einem Aspekt wird offenbart ein Kühlölkreislauf für eine elektromotorische Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs, die eine elektrische Antriebsmaschine und deren Ausgangsgetriebe aufweist. Der Kühlölkreislauf weist auf zumindest (a) eine Ölpumpe zur Förderung von Kühlöl, das in einem Ölsammler gesammelt ist, in einem Ölmassestrom; (b) einen Maschinenkühlpfad zur Kühlung der elektrischen Antriebsmaschine, insbesondere der Komponenten in einem Innenraum eines Maschinengehäuses, der sich von der Öl-pumpe bis zu dem Ölsammler erstreckt und stromaufwärts einer Maschinenkühlstrecke einen Wärmetauscher zur Kühlung des Kühlöls, insbesondere einen Öl-Öl- oder einen ÖI-Wasser-Wärmetauscher, passiert; und (c) einen Getriebetemperierpfad zur Kühlung und/oder Heizung des Ausgangsgetriebes, insbesondere der Komponenten in einem Innenraum eines Getriebegehäuses, der sich von der Ölpumpe bis zu dem Ölsammler erstreckt.
Der Kühlölkreislauf, insbesondere der Ölmassestrom, weist zwischen der Ölpumpe und dem Wärmetauscher einen Abzweig auf, an welchem sich der Maschinenkühlpfad und der Getriebetemperierpfad aufteilen. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Temperaturniveau einer Kühlung der Antriebsmaschine unabhängig von einem Temperaturniveau einer Kühlung des Ausgangsgetriebes beeinflusst werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine elektromotorische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine elektrische Antriebsmaschine, ein Ausgangsgetriebe für die elektrische Antriebsmaschine, sowie einen Kühlölkreislauf gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlölkreislaufs gemäß einer Ausführung der Erfindung, aufweisend zumindest die folgenden Verfahrensschritte, die in der angegebenen oder einer anderen fachmännisch vorteilhaft erscheinenden Reihenfolge ausführbar sind: (1) Ermitteln eines Betriebszustands der Antriebsmaschine; und (2) Schalten des Abzweigventils in Abhängigkeit von dem Ermittelten Betriebszustand.
Dadurch wird erreicht, dass das Getriebe, je nach Betriebszustand schneller oder sofort, mit optimal temperiertem Kühlöl geschmiert werden kann, insbesondere solange keine Kühlung der elektrischen Maschine erforderlich ist.
Gemäß einer Ausführung verschließt das Abzweigventil den Maschinenkühlpfad ganz oder teilweise, wenn als Betriebszustand eine Niedriglast und/oder ein Kaltstart ermittelt wird.
Gemäß einer Ausführung gibt das Abzweigventil den Maschinenkühlpfad frei, wenn ein Betriebszustand ermittelt wird, der eine Kühlung der Antriebsmaschine erfordert, wobei ein solcher Betriebszustand insbesondere vorliegt, wenn eine Grenztemperatur und/oder ein Grenztemperaturgradient der Antriebsmaschine überschritten ist. Damit ist eine ausreichende Kühlung der Antriebsmaschine sichergestellt.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass für die Antriebsmaschine in den zeitlich häufigsten Betriebsfällen möglichst gut gekühltes Öl vorteilhaft ist, wohingegen für das Getriebe in den zeitlich häufigsten Betriebsfällen betriebswarmes Öl vorteilhaft ist, da das Öl eine temperaturabhängige Viskosität aufweist und damit bei geringen Temperaturen hohe Reib- und Planschverluste verursacht.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Erkenntnis, dass diejenigen Betriebsfälle, in denen eine Kühlung der Antriebsmaschine wichtig ist und diejenigen Betriebsfälle, in denen eine Erwärmung der Komponenten des Ausgangsgetriebes den größten Vorteil bringt, selten gemeinsam auftreten. Diese Erkenntnis eröffnet einen Weg, den Zielkonflikt hinsichtlich Öltemperatur, insbesondere durch eine Modifikation der Drucköl-Architektur, (zumindest weitgehend) aufzulösen.
Im Sinne der Erfindung wird dazu nur derjenige Ölmassestrom durch den Öl-Wasser-Wärmetauscher gekühlt, der zur Kühlung der E-Maschine verwendet wird. Dazu wird ein Wärmetauscher-Bypass für den verbleibenden Ölmassestrom geschaffen, der zur Temperierung des Ausgangsgetriebes verwendet wird. Mit anderen Worten: die Aufteilung des gesamten Ölmassestroms in parallele Pfade, von denen einer die Antriebsmaschine und der andere das Ausgangsgetriebe temperiert, erfolgt bereits vor dem Wärmetauscher an einem Abzweig.
Da sich das Öl aus E-Maschine und Getriebe im Ölsumpf vermischen, wird das Öl zur Schmierung des Getriebes ebenfalls indirekt gekühlt, allerdings ergibt sich - beispielsweise bei einem Kaltstart - an den Einspritzdüsen zur Schmierung des Getriebes schnell eine um ca. 10 bis 15 Kelvin höhere Temperatur als in einem ansonsten vergleichbaren Betriebsfall mit einer herkömmlichen Kühlkreistopologie zum selben Relativzeitpunkt.
Hieraus ergeben sich eine vorteilhaft geringere Ölviskosität durch eine höhere Öltemperatur und damit höhere Effizienz durch geringere Planschverluste im Getriebe, sowie ein vorteilhaft geringerer Druckverlust und damit geringerer 12V-Pumpenverbrauch sowie das Potential für eine kleinere Dimensionierung der Ölpumpe.
Gemäß einer Ausführung wird zur gewünschten Aufteilung der Ölmassenströme in einem Maschinenkühlpfad und einem Getriebetemperierpfad ein Abzweigventil eingesetzt, das den Ölmassestrom in Richtung E-Maschine bei Niedriglast abstellt. Das Ventil kann vor oder nach dem Öl-Wasser-Wärmetauscher platziert sein. Das Ventil kann aktiv (z.B. elektrisches Schaltventil) oder passiv (z.B. druckgeregeltes oder volumenstromgeregeltes Schaltventil) ausgeführt sein. Hierdurch ergibt sich eine Reduktion der Fluidreibverluste in der E-Maschine.
Gemäß einer Ausführung ist der Getriebetemperierpfad stromabwärts des Abzweigs eine Getriebekühlstrecke ausbildet, insbesondere von dem Abzweig direkt, sprich insbesondere ohne Umweg die einen anderen Hauptgrund haben als Bauraum-Spezifika, hin zu dem und/oder in das Getriebegehäuse geführt. Damit kann das Kühlöl zum Temperieren des Getriebes ungefähr auf einem Temperaturniveau verwendet werden, auf dem es den Ölsammler verlässt.
Gemäß einer Ausführung ist der Getriebetemperierpfad an dem Wärmetauscher vorbei hin zu Getriebegehäuse geführt, insbesondere also als Wärmetauscherbypass ausgebildet. Dadurch wird erreicht, dass das Getriebe bei einem Kaltstart schneller mit betriebswarmem Kühlöl geschmiert werden kann.
Gemäß einer Ausführung enden der Maschinenkühlpfad und der Getriebetemperierpfad, insbesondere unabhängig voneinander, in dem Ölsammler. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Temperaturniveau einer Kühlung der Antriebsmaschine vollständig unabhängig von einem Temperaturniveau einer Kühlung des Ausgangsgetriebes beeinflusst werden kann.
Gemäß einer Ausführung mündet der Maschinenkühlpfad in den Getriebetemperierpfad, insbesondere in das Getriebegehäuse. Damit kann der Kühlölkreislauf einfacher und damit ggf. günstiger und/oder kompakter ausgeführt werden. Beispielsweise kann der Ölsammler an einem Grund des Getriebegehäuses ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführung ist zum Einstellen eines Ölflusses an dem Abzweig ein Abzweigventil in dem Kühlölkreislauf vorgesehen, das einen Öffnungszustand und einen Schließzustand einnehmen kann, wobei im Schließzustand der Maschinenkühlpfad versperrt ist. Damit kann eine Ölkühlung verhindert werden, solange - beispielsweise bei einem Kalt-start - eine Kühlung der Antriebsmaschine nicht erforderlich ist; wohl aber ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur des Getriebes.
Gemäß einer Ausführung ist das Abzweigventil in dem Maschinenkühlpfad stromaufwärts oder stromabwärts des Wärmetauschers angeordnet, je nachdem an welcher Stelle ein geeigneterer Bauraum vorhanden ist.
Gemäß einer Ausführung kann das Abzweigventil einen, insbesondere einen von mehreren, Teilöffnungszuständen einnehmen, in welchem der Ölmassestrom auf den Maschinenkühlpfad und den Getriebetemperierpfad in einem vorbestimmten Verhältnis aufgeteilt wird. Dadurch kann anhand einer Priorisierung der Wichtigkeiten einer Kühlung der Antriebsmaschine einerseits und andererseits einer Erwärmung des Getriebes auf eine Betriebstemperatur eine Zuteilung von Ölmassestromanteilen erfolgen.
Gemäß einer Ausführung ist das Abzweigventil ein von einer Steuerung bzw. Regelung schaltbares Ventil. Mit einem derartigen, aktiven Abzweigventil, beispielsweise einem elektrischen Schaltventil, kann eine gewünschte Ventilstellung in Abhängigkeit von zu berücksichtigenden Parametern vorgenommen werden. Die Ansteuerung eines solchen Ventils kann elektronisch, hydraulisch oder in anderer Weise erfolgen.
Gemäß einer Ausführung wird das Abzweigventil in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Kühlölkreislaufs, insbesondere von einem Öldruck und/oder einem Ölvolumenstrom und/oder einer Öltemperatur an einer vorgegebenen Stelle im Kühlölkreislauf wie beispielsweise im Ölsammler, geschaltet. Eine derartige Schaltung kann beispielsweise auf möglichst niedrige Fluidreibverluste in der Antriebsmaschine und/oder in dem Ausgangsgetriebe hin optimiert werden.
Ein Parameter für die Ansteuerung des Ventils kann ein Temperaturwert, insbesondere eine an einer bestimmten Stelle gemessene Getriebeöltemperatur sein. Gemäß einer Ausführung ein Temperatursensor vorgesehen ist, der die Temperatur des Getriebeöls an einer vorgegebenen Stelle detektiert und der Steuerung bzw. Regelung ein entsprechendes Temperatursignal zuführt.
Gemäß einer Ausführung weist die Maschinenkühlung eine Rotorkühlung und/oder eine Statorkühlung auf. Insbesondere weist die Statorkühlung eine Statorkernkühlung und/oder eine Statorwickelkopfkühlung auf. Mit derartigen Ausführungen kann die Erfindung bei unterschiedlichen Kühlkonzepten für eine Antriebsmaschine und das zugehörige Ausgangsgetriebe eingesetzt werden.
In Phasen, in denen das Getriebeöl noch nicht seine optimale Betriebstemperatur erreicht hat, sperrt das Abzweigventil den Maschinenkühlpfad, was zur Folge hat, dass kein oder nur wenig Getriebeöl durch den Wärmetauscher strömt und sich somit die im Getriebe an sich befindliche Ölmenge schneller auf die optimale Betriebstemperatur aufheizt, was sich positiv auf den Wirkungsgrad des Getriebes und somit des Fahrzeugs auswirkt. Positiv wirkt sich ferner aus, dass im Schließzustand des Abzweigventils ein Gesamtströmungswiderstand geringer ist und dementsprechend weniger Pumpleistung benötigt wird.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Abzweigventil entweder um ein Ventil handeln kann, das lediglich die beiden Zustände „offen- bzw. geschlossen“ einnehmen kann als auch um ein „Proportionalventil“, d. h. um ein Ventil, das beliebige Zwischenstellungen einnehmen kann in denen es teilweise geöffnet ist.
Die elektrische Ölpumpe kann gemäß einer Ausführung bedarfsgerecht geregelt werden. Bedarfe zur Steigerung des Ölmassestroms können z.B. durch die Rotortemperatur, die Statortemperatur, die Drehzahl, das übertragene Moment die Öltemperatur, und/oder die Differenzdrehzahl der beiden Abtriebswellen (links, rechts) ausgelöst werden. Die bedarfsgesteuerte Regelung hat drei wesentliche Vorteile: Eine höhere Pumpenansteuerung benötigt mehr elektrische Leistung, was die Reichweite des Fahrzeugs senkt. Eine höhere Pumpenansteuerung erhöht zudem die Ölreibungsverluste im Getriebe und der E-Maschine, was sich ebenfalls nachteilig auf die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt. Weiterhin führt eine geringe Ölpumpenansteuerung zu einer schnelleren Erwärmung des Öls bei einem Kaltstart, was aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Öls ebenfalls Vorteile in der Effizienz erzeugt.
Aus Sicherheitsgründen kann gemäß einer Ausführung eine Überwachungselektronik vorgesehen sein, welche detektiert, ob bestimmte Fehlerzustände vorliegen. Bei Vorliegen eines Fehlerzustands kann vorgesehen sein, dass das Abzweigventil geöffnet wird/bleibt, so dass der Wärmetauscher durchströmt und das Getriebeöl maximal gekühlt wird. Alternativ oder ergänzend dazu kann vorgesehen sein, dass bei Vorliegen einer Störung das Getriebe und/oder die Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs in einen Notfallmodus geschaltet werden, in dem das Getriebe und/oder der Antriebsmotor des Fahrzeugs nur noch mit begrenzter Leistung betrieben werden können.
Alternativ zu einem schaltbaren Abzweigventil kann das Abzweigventil gemäß einer Ausführung auch durch ein einfaches „Thermostatventil“ gebildet sein. Herkömmliche Thermostatventile weisen üblicherweise ein „Ausdehnungselement“ auf, das in Abhängigkeit von der dort herrschenden Temperatur das Thermostatventil ganz oder teilweise schließt bzw. öffnet.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, die sich als schematische Skizzen verstehen:

1 zeigt eine elektromotorische Antriebseinheit gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einer Ölstatorkernkühlung und einer Ölstatorwickelkopfkühlung.
2 zeigt eine elektromotorische Antriebseinheit gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einer Wasserstatorkühlung.
3 zeigt eine elektromotorische Antriebseinheit gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einer Wasserstatorkühlung und einem Abzweigventil.
4 zeigt eine elektromotorische Antriebseinheit gemäß einer vierten beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einer Wasserstatorkühlung und einer Öllanzenrotorkühlung.
5 zeigt eine elektromotorische Antriebseinheit gemäß einer fünften beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einer Wasserstatorkernkühlung und einer Ölstatorwickelkopfkühlung.
6 zeigt eine elektromotorische Antriebseinheit gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einer Wasserstatorkernkühlung, einer Ölstatorwickelkopfkühlung und einem Abzweigventil.

Bauteile, die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zumindest im Wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen und/oder zumindest im Wesentlichen gleich ausgebildet sind, sind in den verschiedenen Beispielen mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine elektromotorische Antriebseinheit 100 für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine elektrische Antriebsmaschine 10 und ein Ausgangsgetriebe 30 für die Antriebsmaschine 10, wobei eine Rotorwelle 11 eines Rotors 12 der Antriebsmaschine 10 die Eingangswelle des Getriebes 30 ist.
Die Antriebsmaschine 10 ist eine fremderregte Synchronmaschine, sodass der Rotor 12 einen Rotorkern 17 und Rotorwickelköpfe 18 aufweist. Die Erfindung ist allerdings - nötigenfalls im Rahmen des fachmännischen Handwerks angepasst - auch auf permanenterregte Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen anwendbar.
Die Antriebsmaschine 10 weist zu dem Rotor 12 einen Stator 13 mit einem Statorkern 14 und Statorwickelköpfen 15 auf. Der Stator 13 ist in einem Maschinengehäuse 16 gelagert, in dem auch die Rotorwelle 11 drehbar gelagert ist.
Zudem weist die Antriebsmaschine 10 in einem angeflanschten Leistungselektronikgehäuse 19 (auch Penthouse genannt) eine Leistungselektronik 20 zum Antrieb der Antriebsmaschine 10 auf.
Das Ausgangsgetriebe 30 ist in einem Getriebegehäuse 32 angeordnet, das fest mit dem Maschinengehäuse 16 verbunden, insbesondere verschraubt, ist. Zur Übertragung von drehzahlgewandeltem Drehmoment von der Rotorwelle 11 auf zwei Abtriebswellen 38.1 und 38.2 weist das Ausgangsgetriebe 30 eine Stirnradstufe 34 und ein Differenzial 36 auf.
Zur Temperierung der Antriebsmaschine 10 und des Getriebes 30 weist die elektromotorische Antriebseinheit 100 einen Kühlölkreislauf 140 auf.
Der Kühlölkreislauf 140 weist eine Ölpumpe 42 auf zur Förderung von Kühlöl, das in einem Ölsammler 44 des Kühlölkreislaufs 140 gesammelt ist, in einem Ölmassestrom. Der mittels der Ölpumpe 42 geförderte Ölmassestrom dient einer Versorgung der Komponenten der Antriebsmaschine 10 und der Komponenten des Getriebes 30 mit Kühlöl.
Zur Kühlung der elektrischen Antriebsmaschine 10 ist ein Maschinenkühlpfad 146 vorgesehen, der sich von der Ölpumpe 42 bis zu dem Ölsammler 44 erstreckt und der stromaufwärts einer Maschinenkühlstrecke 148 zur Kühlung des Kühlöls einen Öl-Wasser-Wärmetauscher 50 des Kühlölkreislaufs 140 passiert.
Der Öl-Wasser-Wärmetauscher 50 wird wasserseitig mit einem Wassermassestrom 143 versorgt, der aus einem ansonsten nicht dargestellten Fahrzeugkühlkreislauf stammt.
Die Maschinenkühlstrecke 148 weist hier eine Statorkühlung 158 mit einer Statorkernkühlung 160 (als Ölmantel) und einer Statorwickelkopfkühlung 162 (als Ölspritze) auf, sowie eine Rotorkühlung 64 mit einer Rotorwellenkühlung 66 mit Auslässen für eine Rotorwickelkopfkühlung 68.
Zur Temperierung, d.h. zur Kühlung und/oder Heizung, des Ausgangsgetriebes 30 ist ein Getriebetemperierpfad 52 vorgesehen, der sich von der Ölpumpe 42 bis zu dem Ölsammler 44 erstreckt.
Der Ölmassestrom 41 in dem Kühlölkreislauf 140 zwischen der Ölpumpe 42 und dem Wärmetauscher 50 weist einen Abzweig 56 auf, an welchem sich der Maschinenkühlpfad 146 und der Getriebetemperierpfad 52 aufteilen. Der Getriebetemperierpfad 52 ist von dem Abzweig 56 zu dem und in das Getriebegehäuse 32 geführt und bildet innerhalb des Getriebegehäuses 32 eine Getriebekühlstrecke 54 aus.
Der Getriebetemperierpfad 52 ist an dem Wärmetauscher 50 vorbei in das Getriebegehäuse 32 geführt und somit als Wärmetauscherbypass ausgebildet.
Der Anteil des Ölmassestroms 41, der zur Schmierung des Getriebes verwendet wird, wird also nicht im ÖI-Wasser-Wärmetauscher 50 gekühlt, d.h. dieser Teilmassestrom wird vorgelagert abgezweigt. Als Folge hieraus stellt sich im Getriebe eine um etwa 15 Kelvin höhere Öltemperatur ein, was aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Kühlöls Vorteile in der Effizienz erzeugt.
Die Randbedingungen für die Auslegung des Kühlölkreislaufs sind bei der beispielhaften Antriebseinheit 100 wie folgt: 1. Wasser-Vorlauftemperatur ca. 55°C; 2. Wasser-Volumenstrom ca. 10l/min; 3. Öltemperatur nach ÖI-Wasser-Wärmetauscher ca. 75°C; 4. Ölvolumenstrom Ausgangsgetriebe 30 max. 4l/min; 5. Ölvolumenstrom Rotor max. 4l/min; 6. Ölvolumenstrom Stator max. 8l/min; 7. Ölvolumenstrom gesamt max. 16l/min; 8. Abführbare Wärme via Öl-Wasser-Wärmetauscher 50: ca. 10kW bei 15K Temperaturdifferenz.
In 2 ist eine Antriebseinheit 200 dargestellt, die sich von der Antriebseinheit 100 aus 1 insbesondere unterscheidet durch die Ausführung einer Statorkühlung mit einem Wassermassestrom 243 aus dem Fahrzeugkühlkreislauf, der sowohl einen Wassermantel 260 zur Kühlung des Stators 13 ausbildet als auch (in Reihe) den Öl-Wasser-Wärmetauscher wasserseitig speist und auch (hier in Reihe zuvor geschalten) zur Kühlung der Leistungselektronik 20 vorgesehen sein kann.
Entsprechend weist eine Maschinenkühlstrecke 248 des Maschinenkühlpfads 246 eines Kühlölkreislaufs 240 keine Statorkühlung, sondern nur eine Rotorkühlung 64 mit einer Rotorwellenkühlung 66 mit Auslässen für eine Rotorwickelkopfkühlung 68 (wie auch in dem Ausführungsbeispiel aus 1 auf.
So lässt sich die Erfindung auch auf eine Antriebseinheit mit einer Wasser-Statorkühlung anwenden.
In 3 ist eine Antriebseinheit 300 dargestellt, die sich von der Antriebseinheit 200 aus 2 insbesondere unterscheidet durch ein Abzweigventil 370, das hier nach dem Abzweig 56 in einem Maschinenkühlpfad 346 angeordnet ist und den Maschinenkühlpfad 346 ganz oder teilweise verschließen kann, wenn es von einer Steuereinheit S entsprechend angesteuert wird. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, den Maschinenkühlpfad 346 ganz oder teilweise zu verschließen, wenn ein Betriebszustand ermittelt wird, für den ein Temperieren des Ausgangsgetriebes 30 wichtiger ist als eine maximale Kühlung der elektrischen Maschine 10. Je nachdem, wie stark der Maschinenkühlpfad 346 gesperrt wird (ganz bzw. Grad der Teilsperrung), stellen sich unterschiedliche größere Kühlölflussraten für das Temperieren des Ausgangsgetriebes 30 und eine entsprechend angepasste Temperierwirkung ein.
In 4 ist eine Antriebseinheit 400 dargestellt, die sich von der Antriebseinheit 200 aus 2 insbesondere unterscheidet durch die Ausbildung einer Rotorkühlung 464 mit einer Öllanze 466 in einer Maschinenkühlstrecke 468 eines Maschinenkühlpfads 446, sodass keine Öffnungen für eine separate Rotorwickelkopfkühlung vorgesehen ist.
Bei dieser Ausführung ist wird das Öl aus der Öllanze mittels eines Auslasses 467 in das Getriebegehäuse 432 eingebracht. Auf diese Weise vereinigen sich der Maschinenkühlpfad 446 und der Getriebetemperierpfad bereits innerhalb des Getriebegehäuses 432. Ein Ölsumpf des Getriebegehäuses 432 ist als Ölsammler 444 ausgebildet, sodass kein separater Ölsammler erforderlich ist. Das gesammelte Öl wird dann direkt aus dem Getriebegehäuse 432 der Ölpumpe 42 zugeführt.
Solch eine Ausführung kommt auch dann vorteilhaft in Betracht, wenn beispielsweise - anders als in der Darstellung - die elektrische Antriebsmaschine 10 mit einem permanenterregten Rotor ausgebildet ist, sodass keine Rotorwicklungen vorliegen, für die eine separate Kühlung ggf. Vorteile bringen kann.
In 5 ist eine Antriebseinheit 500 dargestellt, die sich von der Antriebseinheit 200 aus 2 insbesondere dadurch unterscheidet, dass der Stator 13 an seinem Statorkern 14 mittels eines Wassermantels 260 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 gekühlt wird, wohingegen die Statorwickelköpfe 15 mittels einer Statorwickelkopfkühlung 162 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 gekühlt werden.
Für die Statorwickelkopfkühlung 162 weist der Maschinenkühlpfad 546 eine Maschinenkühlstrecke 548 mit einer Statorkühlung 558 und einer Rotorkühlung 64 auf. Die Statorkühlung 558 weist eine Statorwickelkopfkühlung 162 auf, nicht aber eine Statorkernkühlung; denn die Statorkernkühlung wird ja von dem Wassermantel 260 übernommen.
In 6 ist eine Antriebseinheit 600 dargestellt, die sich von der Antriebseinheit 500 aus 5 insbesondere unterscheidet durch ein (wie in dem Ausführungsbeispiel aus 3 ausgebildetes) Abzweigventil 370, das hier nach dem Abzweig 56 in einem Maschinenkühlpfad 646 angeordnet ist und den Maschinenkühlpfad 646 ganz oder teilweise verschließen kann, wenn es von einer Steuereinheit S entsprechend angesteuert wird. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, den Maschinenkühlpfad 646 ganz oder teilweise zu verschließen, wenn ein Betriebszustand ermittelt wird, für den ein Temperieren des Ausgangsgetriebes 30 wichtiger ist als eine maximale Kühlung der elektrischen Maschine 10. Je nachdem, wie stark der Maschinenkühlpfad 646 gesperrt wird (ganz bzw. Grad der Teilsperrung), stellen sich unterschiedliche größere Kühlölflussraten für das Temperieren des Ausgangsgetriebes 30 und eine entsprechend angepasste Temperierwirkung ein.
Bezugszeichenliste

10: elektrische Antriebsmaschine
11: Rotorwelle
12: Rotor
13: Stator
14: Statorkern
15: Statorwickelköpfe
16: Maschinengehäuse
17: Rotorkern
18: Rotorwickelköpfe
19: Leistungselektronikgehäuse
20: Leistungselektronik
30: Ausgangsgetriebe
32, 432: Getriebegehäuse
34: Stirnradstufe
36: Differenzial
38: Abtriebswelle
41: Ölmassestrom
42: Ölpumpe
44, 444: Ölsammler
50: Wärmetauscher
52: Getriebetemperierpfad
54: Getriebekühlstrecke
56: Abzweig
64, 464: Rotorkühlung
66: Rotorwellenkühlung
68: Rotorwickelkopfkühlung
100, 200, 300, 400, 500, 600: elektromotorische Antriebseinheit
140, 240, 340, 440, 540, 640: Kühlölkreislauf
146, 246, 346, 446, 546, 646: Maschinenkühlpfad
148, 248, 448, 548: Maschinenkühlstrecke
158,558: Statorkühlung
160: Statorkernkühlung
162: Statorwickelkopfkühlung
243: Wassermassestrom
260: Wassermantel
466: Öllanze
467: Auslass ins Getriebegehäuse
S: Steuermittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017201117 A1 [0002]

Claims

Kühlölkreislauf (140, 240, 340, 440, 540, 640) für eine elektromotorische Antriebseinheit (100, 200, 300, 400, 500, 600) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Antriebseinheit eine elektrische Antriebsmaschine (10) und ein Ausgangsgetriebe (30) aufweist, aufweisend - eine Ölpumpe (42) zur Förderung eines Ölmassestroms (41) aus einem Ölsammler (44, 444) des Kühlölkreislaufs, - einen Maschinenkühlpfad (146, 246, 346, 446, 546, 646) zur Kühlung der elektrischen Antriebsmaschine, der sich stromaufwärts einer Maschinenkühlstrecke (148, 248, 448, 548) einen Wärmetauscher (50) zur Kühlung des Kühlöls passiert, - einen Getriebetemperierpfad (52) zur Kühlung des Ausgangsgetriebes, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlölkreislauf zwischen der Ölpumpe und dem Wärmetauscher einen Abzweig (56) aufweist, an welchem sich der Maschinenkühlpfad und der Getriebetemperierpfad aufteilen.
Kühlölkreislauf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebetemperierpfad stromabwärts des Abzweigs eine Getriebekühlstrecke (54) ausbildet.
Kühlölkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebetemperierpfad an dem Wärmetauscher vorbei hin zu einem Getriebegehäuse (32, 432) geführt ist.
Kühlölkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinenkühlpfad und der Getriebetemperierpfad unabhängig voneinander in dem Ölsammler (44) enden.
Kühlölkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinenkühlpfad (446) in den Getriebetemperierpfad mündet.
Kühlölkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen eines Ölflusses an dem Abzweig ein Abzweigventil (370) in dem Kühlölkreislauf vorgesehen ist, das einen Öffnungszustand und einen Schließzustand einnehmen kann, wobei im Schließzustand der Maschinenkühlpfad versperrt ist.
Kühlölkreislauf gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abzweigventil einen Teilöffnungszustand einnehmen kann, in welchem der Ölmassestrom auf den Maschinenkühlpfad und den Getriebetemperierpfad in einem vorbestimmten Verhältnis aufgeteilt wird.
Kühlölkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abzweigventil in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Kühlölkreislaufs geschaltet wird.
Kühlölkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinenkühlpfad (146, 246, 346, 446, 546, 646) eine Rotorkühlung (64, 646) und/oder eine Statorkühlung (158, 558) aufweist.
Kühlölkreislauf gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorkühlung eine Statorkernkühlung (160) und/oder eine Statorwickelkopfkühlung (162) aufweist.
Elektromotorische Antriebseinheit (100, 200, 300, 400, 500, 600) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine elektrische Antriebsmaschine (10) und ein Ausgangsgetriebe (30) für die elektrische Antriebsmaschine, gekennzeichnet durch einen Kühlölkreislauf (140, 240, 340, 440, 540, 640) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb eines Kühlölkreislaufs ((140, 240, 340, 440, 540, 640)) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, aufweisend: - Ermitteln eines Betriebszustands der Antriebsmaschine (10), - Schalten des Abzweigventils (370) in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abzweigventil den Maschinenkühlpfad ganz oder teilweise verschließt, wenn als Betriebszustand eine Niedriglast und/oder ein Kaltstart ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abzweigventil den Maschinenkühlpfad freigibt, wenn ein Betriebszustand ermittelt wird, der eine Kühlung der Antriebsmaschine erfordert.