DE102021200734A1

DE102021200734A1 - Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102021200734A1
Application number: DE102021200734.1A
Authority: DE
Inventors: Migen Bebeti; Rico Glöckner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-07-28

Abstract

Ein Antriebssystem (1) für eine Arbeitsmaschine weist eine elektrische Energiespeichervorrichtung (2), zumindest einen elektrischen Wandler (3a, 3b) und zumindest eine elektrische Antriebsmaschine (5a, 5b) zur Bereitstellung einer Antriebskraft für die Arbeitsmaschine auf, und ist ferner mit einem von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlsystem zur Abführung von durch Elemente des Antriebssystems (1) erzeugter Wärme durch zumindest einen im Kühlsystem integrierten Wärmetauscher (4) versehen, wobei das Kühlsystem gemeinsam für den zumindest einen elektrischen Wandler (3a, 3b) und die zumindest eine elektrische Antriebsmaschine (5a, 5b) sowie für die elektrische Energiespeichervorrichtung (2) vorgesehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine und insbesondere ein elektrisch betriebenes Antriebssystem mit einem Kühlsystem.
Stand der Technik
Arbeitsmaschinen mit elektrischen Antriebssystemen sind im Stand der Technik bekannt. Bei solchen bekannten Arbeitsmaschinen werden Batteriesysteme eingesetzt, die regelmäßig mit einem eigenen und von weiteren Fahrzeugkomponenten entkoppelten Kühlsystem versehen sind.
Ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine aus dem Stand der Technik ist in DE 11 2014 0002 09 T5 gezeigt. Die in diesem Stand der Technik gezeigte Arbeitsmaschine wird über ein Hybridantriebssystem angetrieben.
Darstellung der Erfindung
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine vorgesehen. Dabei kann die Arbeitsmaschine eine selbstfahrende Arbeitsmaschine, eine Landmaschine oder sonstige Arbeitsmaschine, wie zum Beispiel ein Radlader sein. Das Antriebssystem weist eine elektrische Energiespeichervorrichtung, zumindest einen elektrischen Wandler und zumindest eine elektrische Antriebsmaschine zur Bereitstellung einer Antriebskraft für die Arbeitsmaschine auf. Ferner weist das Antriebssystem ein von einem Kühlfluid durchströmbares Kühlsystem zur Abführung von durch Elemente des Antriebssystems erzeugter Wärme durch zumindest einen im Kühlsystem integrierten Wärmetauscher auf. Bei dem Antriebssystem ist das Kühlsystem gemeinsam für den zumindest einen elektrischen Wandler und die zumindest eine elektrische Antriebsmaschine sowie für die elektrische Energiespeichervorrichtung vorgesehen.
Gemäß dem vorstehend genannten Konzept wird somit ein Kühlsystem in dem erfindungsgemäßen Antriebssystem verwendet, das mehrere Elemente des Antriebssystems erfasst. Insbesondere ist in dem vorstehend definierten Antriebssystem die elektrische Energiespeichervorrichtung thermisch mit demselben Kühlsystem gekoppelt, mit dem weitere Elemente des Antriebssystems gekoppelt sind. Durch diese Anordnung wird eine einfache Struktur des Kühlsystems bereitgestellt und kann insbesondere eine aufwendige Anordnung mit separaten Kühlsystemen vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Energiespeichervorrichtung eine Festkörperbatterie (ASSD) auf. Die Festkörperbatterie wird auch als All Solid State Battery bezeichnet und ist gekennzeichnet durch einen Betriebstemperaturbereich, der sich von den herkömmlichen Li-Ion- oder Li-FePo-Zellen unterscheidet. Insbesondere können Festkörperbatterien in einem Temperaturbereich von -30°C bis +120°C arbeiten. Ein optimales Temperaturfenster zum Betrieb von Festkörperbatterien liegt zwischen +40°C und +80°C. Die Energiespeichervorrichtung des Antriebssystems kann mehrere Festkörperbatterien aufweisen. Ferner kann die Energiespeichervorrichtung eine Kombination aus Festkörperbatterien und anderen Batterietypen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Kühlsystem eingerichtet sein, um eine Betriebstemperatur der Elemente des Antriebssystems innerhalb von entsprechenden vorbestimmten und für die Elemente spezifischen Temperaturbereichen zu steuern. Dabei kann die Steuerung der Temperatur durch die Auslegung von Wärmeübertragungssystemen in den Elementen des Antriebssystems vorgenommen werden. Ferner kann die Steuerung der Betriebstemperatur durch andere Parameter, wie zum Beispiel eine Durchflussmenge des Kühlfluides, eine Steuerung der Wärmeabfuhr an dem wärmeabgebenden Wärmetauscher und dergleichen vorgenommen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Kühlsystem zusätzlich für eine im Antriebssystem vorgesehene Getriebeanordnung zur Übertragung der von der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine erzeugten Antriebskraft vorgesehen sein. Dabei kann die Getriebeanordnung ein Zahnradgetriebe zur Übertragung der Antriebskraft der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine auf Antriebsräder der Arbeitsmaschine aufweisen. Ferner kann die Getriebeanordnung ein Achsgetriebe aufweisen, das die Antriebskraft auf Antriebsräder der Arbeitsmaschine verteilt. Die Antriebsachse kann auch ein Differentialgetriebe aufweisen. Das Kühlsystem kann somit auch in die Getriebeanordnung integriert sein, so dass das Kühlsystem in der Getriebeanordnung erzeugte Wärme entsprechend abführen kann. Für den Fall, dass die Getriebeanordnung ein Schaltgetriebe aufweist, entsteht durch Schaltvorgänge mehr oder weniger Wärme, die gegebenenfalls abzuführen ist. Bei elektrisch betriebenen Arbeitsmaschinen ergeben sich jedoch aufgrund der ermöglichten Betriebsweise der elektrischen Antriebsmaschinen weniger Schaltvorgänge, so dass gegebenenfalls weniger Wärme erzeugt wird. Dies gilt insbesondere beim Einsatz von modernen Getriebekonstruktionen, die einen hohen Wirkungsgrad bezogen auf die Kraftübertragung aufweisen. Somit kann auf die Integration des Kühlsystems in die Getriebeanordnung verzichtet werden. Dies gilt ebenfalls für das Achsgetriebe.
Optional kann in der Getriebeanordnung eine Umlaufkühlung vorgesehen werden, mit der aufgrund der Umwälzung des sich in der Getriebeanordnung befindenden Getriebeöls eine Kühlwirkung ergibt. Die Umlaufkühlung kann auch mit dem Kühlsystem des Antriebssystems kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Kühlsystem zusätzlich für eine an das Antriebssystem koppelbare Zusatzeinrichtung vorgesehen. Die Zusatzeinrichtung kann dabei eine Arbeitshydraulik, ein Zapfwellensystem oder eine zusätzliche elektrische Abtriebseinrichtung aufweisen. In dieser Ausführungsform wird durch dasselbe Kühlsystem, mit dem auch die elektrische Energiespeichervorrichtung gekühlt wird, die Zusatzeinrichtung gekühlt.
Gemäß einer Ausführungsform ist bei dem Antriebssystem eine einstellbare Bypass-Einrichtung an dem Wärmetauscher zur Abfuhr der Wärme vorgesehen, die eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Kühlfluides an dem Wärmetauscher vorbei zu führen. Die Bypass-Einrichtung kann als Leitung ausgebildet sein, die strömungstechnisch um den Wärmetauscher herumführt. Die somit um den Wärmetauscher herumführende Leitung kann mit einer Ventilvorrichtung gekoppelt sein. Mit dieser Ventilvorrichtung kann die Durchflussmenge des Kühlfluides, das anteilig durch den Kühler hindurchtritt, eingestellt werden. In dieser Ausgestaltung kann die vom Kühlsystem abgeführte Wärme reguliert werden, so dass die Elemente des Antriebssystems, die vom Kühlsystem gekühlt werden, in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten werden können. Insbesondere kann beim Anfahren des Antriebssystems die Bypass-Einrichtung an dem Wärmetauscher geöffnet werden, so dass ein Warmlaufen der Elemente des Antriebssystems schneller erfolgen kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Antriebssystem ferner eine zuschaltbare Heizvorrichtung zur Abgabe von Wärme an das Kühlfluid in dem Kühlsystem aufweisen. Die zuschaltbare Heizvorrichtung kann elektrisch betrieben werden. Es ist auch möglich, die zuschaltbare Heizvorrichtung auf andere Weise auszugestalten, beispielsweise mithilfe einer Wärmepumpe oder auf der Grundlage der Verbrennung eines gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs. Die Heizvorrichtung kann Wärme in das Kühlfluid in dem Kühlsystem abgeben, wenn dies erforderlich ist. Insbesondere beim Hochfahren des Antriebssystems der Arbeitsmaschine sind einige Elemente des Antriebssystems aufgrund des vorhergehenden Ruhezustands nicht auf Betriebstemperatur. Um den Zustand der für den Betrieb ausreichenden Temperatur an möglichst allen Elementen des Antriebssystems möglichst schnell zu erzielen, kann das Heizelement Wärme an das im Kühlsystem zirkulierende Kühlfluid abgeben. In diesem Fall hat das Kühlfluid die Funktion als Wärmeübertragungsfluid zum Übertragen von Wärme auf die Elemente des Antriebssystems.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine einstellbare Bypass-Einrichtung an der Heizvorrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Kühlfluides an der Heizvorrichtung vorbei zu führen. In ähnlicher Weise wie bei dem Wärmetauscher kann somit die Heizvorrichtung strömungstechnisch umgangen werden, indem ein Teil des Kühlfluides an der Heizvorrichtung vorbeigeführt wird. Hierzu ist eine Bypass-Einrichtung mit einer Bypass-Leitung vorgesehen, die mit einer Ventilvorrichtung gekoppelt ist, so dass die Durchflussmenge des Kühlfluides, das durch die Heizeinrichtung strömt, einstellbar ist.
Figurenliste

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform eines Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine;
2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des in 1 gezeigten Antriebssystems.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen auf der Grundlage der Figuren beschrieben. 1 zeigt Elemente eines Antriebssystems 1 für eine Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform. Die Arbeitsmaschine selbst ist in den Zeichnungen nicht dargestellt, jedoch ist das Antriebssystem 1 auf verschiedene Arbeitsmaschinen anwendbar, insbesondere einen Radlader, eine Landmaschine oder eine sonstige selbstfahrende Arbeitsmaschine. Das Antriebssystem 1, das in 1 dargestellt ist, weist eine elektrische Energiespeichervorrichtung 2 in Form einer Batterie auf, die in der vorliegenden Ausführungsform als aufladbare Festkörperbatterie beziehungsweise All-Solid-State-Batterie (ASSB) ausgeführt ist. Die elektrische Energiespeichervorrichtung 2 weist gegebenenfalls weitere Elemente auf, wie zum Beispiel eine Notfalltrenneinrichtung und eine Ladeeinrichtung (nicht gezeigt).
Ferner weist das Antriebssystem in der in 1 gezeigten Ausführungsform einen Satz elektrischer Wandler 3a, 3b auf, die mit einem Satz elektrischer Antriebsmaschinen 5a, 5b elektrisch verbunden sind. Somit können über die elektrische Energie, die in der elektrischen Energiespeichervorrichtung 2 gespeichert ist, unter Verwendung der Funktion der elektrischen Wandler 3a, 3b die elektrischen Antriebsmaschinen 5a, 5b betrieben werden.
Die elektrischen Antriebsmaschinen 5a, 5b sind mechanisch mit einer Getriebeanordnung 6a, 6b gekoppelt. Die Getriebeanordnung 6a, 6b weist dabei ein Schaltgetriebe 6a auf, das in der vorliegenden Ausführungsform als Lastschaltgetriebe ausgebildet ist. Die von den elektrischen Antriebsmaschinen 5a, 5b in das Schaltgetriebe 6a eingeleitete Antriebskraft wird in der vorliegenden Ausführungsform auf eine Antriebsachse 6b übertragen, ein Teil der Getriebeanordnung 6a, 6b ist.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ferner eine Zusatzeinrichtung 7 in Form einer Arbeitshydraulik vorgesehen. Die Arbeitshydraulik wird über eine nicht gezeigte Hydraulikpumpe betrieben und ist eingerichtet, um externe Einrichtungen, wie zum Beispiel ein Hubgestell oder Ähnliches, zu betreiben.
Die in 1 gezeigten Elemente des Antriebssystems sind in einem Kühlsystem integriert. Wie in 1 gezeigt ist, werden die vorstehend genannten Elemente, nämlich die elektrische Energiespeichervorrichtung 2, die elektrischen Wandler 3a, 3b, die elektrischen Arbeitsmaschinen 5a, 5b sowie die Getriebeanordnung 6a, 6b und auch die Zusatzeinrichtung 7 von einem Kühlfluid durchströmt. Das Kühlfluid in der vorliegenden Ausführungsform ist dabei ein glykolbasiertes Kühlfluid. Das Kühlsystem weist einen Wärmetauscher 4 auf, durch den das Kühlfluid zirkuliert und über den Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Der Wärmetauscher 4 ist dabei mit einer vergrößerten Oberfläche versehen, so dass die Wärmeübertragungseffizienz zwischen dem Kühlfluid und der Umgebung verbessert werden kann.
Wie in 1 gezeigt ist, wird das Kühlfluid seriell durch die vorstehend genannten Elemente geführt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die elektrische Energiespeichervorrichtung 2 als Festkörperbatterie ausgeführt, die in einem Temperaturbereich von -30°C bis +120°C arbeitet. Das optimale Temperaturfenster für den Betrieb von Festkörperbatterien liegt dabei zwischen +40°C und +80°C. Aufgrund dieses Temperaturbereichs wird ermöglicht, die vorstehend genannten Elemente des Antriebssystems gemeinsam mit der elektrischen Energiespeichervorrichtung 2 in demselben Kühlsystem zu integrieren. Mit dieser Ausgestaltung wird ein einfaches System ermöglicht, da die gesonderte Kühlung einzelner Elemente oder Elementgruppen des Antriebssystems mithilfe von separaten Kühlsystemen vermieden werden kann.
In der abgewandelten Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, ist zusätzlich eine Heizvorrichtung 9 im Kühlkreislauf vorgesehen. Die Heizvorrichtung 9 ist in der vorliegenden Ausführungsform als elektrisches Heizelement ausgeführt, das von Kühlfluid umströmt wird. Das Heizelement der Heizvorrichtung 9 wird zweckmäßig über die elektrische Energie der elektrischen Energiespeichervorrichtung 2 betrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist ferner eine Bypass-Einrichtung 10 vorgesehen, die eine Bypass-Leitung aufweist, die das Heizelement der Heizvorrichtung 9 strömungstechnisch umgeht. Hierzu ist ein Ventil einer Ventilvorrichtung vorgesehen, mit dem somit die Strömung durch die Heizvorrichtung 9 eingestellt werden kann. Die Heizvorrichtung 9 kommt zum Einsatz, wenn die Temperatur im Kühlfluid des Kühlsystems unterhalb eines Temperaturgrenzwerts liegt. Durch den Einsatz der Heizvorrichtung 9 kann zweckmäßig der Zeitraum verkürzt werden, in welchem das Antriebssystem nach Anfahren auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist in ähnlicher Weise wie für die Heizvorrichtung 9 eine Bypass-Einrichtung 8 mit einer Bypass-Leitung für den Wärmetauscher 4 vorgesehen. Für den Fall, dass die vollständige Kühlleistung des Wärmetauschers 4 nicht erforderlich ist, kann durch Einstellen eines Ventils der Ventilvorrichtung an der Bypass-Einrichtung 8 die Durchflussmenge des Kühlfluides durch den Wärmetauscher 4 eingestellt werden. Sowohl für die Heizvorrichtung 9 als auch für den Wärmetauscher 4 kann die Durchströmung des Wärmetauschers 4 beziehungsweise der Heizvorrichtung 9 komplett blockiert werden, falls dies zweckdienlich ist.
In abgewandelten Ausführungsformen weist das Antriebssystem mehr oder weniger als zwei elektrische Antriebsmaschinen auf. Etwas Ähnliches gilt für die elektrischen Wandler 3a, 3b, die in einer entsprechend erforderlichen Anzahl vorgesehen werden können. Dabei können die Wärmeübertragungselemente der elektrischen Wandler 3a, 3b vereinheitlicht werden, so dass das Kühlsystem weiter vereinfacht werden kann. In der vorstehenden Ausführungsform wurde die Getriebeanordnung mit einem Schaltgetriebe 6a und einem Achsgetriebe 6b angegeben. Das Schaltgetriebe 6a und das Achsgetriebe 6b können auch vereinheitlicht sein. Ferner kann anstelle des Schaltgetriebes in einer abgewandelten Ausführungsform ein nicht schaltbares Getriebe oder ein stufenloses Getriebe vorgesehen werden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Elektrische Energiespeichervorrichtung
3a, 3b: Elektrischer Wandler
4: Wärmetauscher
5a, 5b: Elektrische Antriebsmaschine
6a, 6b: Getriebeanordnung
7: Zusatzeinrichtung
8: Bypass-Einrichtung
9: Heizvorrichtung
10: Bypass-Einrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 112014000209 T5 [0003]

Claims

Antriebssystem (1) für eine Arbeitsmaschine, wobei das Antriebsystem (1) eine elektrische Energiespeichervorrichtung (2), zumindest einen elektrischen Wandler (3a, 3b) und zumindest eine elektrische Antriebsmaschine (5a, 5b) zur Bereitstellung einer Antriebskraft für die Arbeitsmaschine aufweist, ferner mit einem von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlsystem zur Abführung von durch Elemente des Antriebssystems (1) erzeugter Wärme an die Umgebung durch zumindest einen im Kühlsystem integrierten Wärmetauscher (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem gemeinsam für den zumindest einen elektrischen Wandler (3a, 3b) und die zumindest eine elektrische Antriebsmaschine (5a, 5b) sowie für die elektrische Energiespeichervorrichtung (2) vorgesehen ist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichervorrichtung (2) eine Festkörperbatterie (ASSD) aufweist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem eingerichtet ist, um eine Betriebstemperatur der Elemente des Antriebssystems (1) innerhalb von entsprechenden vorbestimmten und für die Elemente spezifischen Temperaturbereichen zu steuern.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem zusätzlich für eine im Antriebssystem (1) vorgesehene Getriebeanordnung (6a, 6b) zur Übertragung der von der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine (5a, 5b) erzeugten Antriebskraft vorgesehen ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem zusätzlich für eine an das Antriebssystem (1) koppelbare Zusatzeinrichtung (7) vorgesehen ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine einstellbare Bypass-Einrichtung (8) an dem Wärmetauscher (4) zur Abfuhr der Wärme vorgesehen ist, die eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Kühlfluides an dem Wärmetauscher (4) vorbei zu führen.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine zuschaltbare Heizvorrichtung (9) zur Abgabe von Wärme an das Kühlfluid in dem Kühlsystem vorgesehen ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine einstellbare Bypass-Einrichtung (10) an der Heizvorrichtung (9) vorgesehen ist, die eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Kühlfluides an der Heizvorrichtung (9) vorbei zu führen.