DE102021204677A1 - Drive system for a working machine - Google Patents

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Abstract

Ein Antriebssystem (1) für eine Arbeitsmaschine weist eine elektrische Energiespeichervorrichtung (2), zumindest einen elektrischen Wandler (3a, 3b), zumindest eine elektrische Antriebsmaschine (5a, 5b) zur Bereitstellung einer Antriebskraft für die Arbeitsmaschine und eine Brennstoffzellenvorrichtung (11) 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), für die elektrische Energiespeichervorrichtung (2) sowie die Brennstoffzellenvorrichtung (11) vorgesehen ist.A drive system (1) for a working machine has an electrical energy storage device (2), at least one electrical converter (3a, 3b), at least one electric drive machine (5a, 5b) for providing a driving force for the working machine and a fuel cell device (11), and is also provided with a cooling system, through which a cooling fluid can flow, for dissipating heat generated by elements of the drive system (1) through at least one heat exchanger (4) integrated in the cooling system, the cooling system being used jointly for the at least one electrical converter (3a, 3b) and the at least one electric drive machine (5a, 5b) is provided for the electric energy storage device (2) and the fuel cell device (11).

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine und insbesondere ein elektrisch betriebenes Antriebssystem mit einem Kühlsystem.The present invention relates to a drive system for a work machine and in particular to an electrically operated drive system with a cooling system.

Stand der TechnikState of the art

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.Working machines with electric drive systems are known in the prior art. In such known work machines, battery systems are used, which are regularly provided with their own cooling system that is decoupled from other vehicle components.

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.A drive system for a work machine from the prior art is in DE 11 2014 0002 09 T5 shown. The working machine shown in this prior art is driven via a hybrid drive system.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

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. Außerdem weist das Antriebssystem eine Brennstoffzellenvorrichtung auf. Außerdem 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 und die Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen.According to one aspect of the invention, a drive system for a work machine is provided. The work machine can be a self-propelled work machine, an agricultural machine or other work machine, such as a wheel loader. The drive system has an electrical energy storage device, at least one electrical converter and at least one electrical drive machine for providing a drive force for the work machine. In addition, the drive system has a fuel cell device. In addition, the drive system has a cooling system, through which a cooling fluid can flow, for dissipating heat generated by elements of the drive system through at least one heat exchanger integrated in the cooling system. In the drive system, the cooling system is provided jointly for the at least one electric converter and the at least one electric drive machine, as well as for the electric energy storage device and the fuel cell device.

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 und die Brennstoffzellenvorrichtung 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.According to the concept mentioned above, a cooling system is used in the drive system according to the invention, which covers a number of elements of the drive system. In particular, in the drive system defined above, the electrical energy storage device and the fuel cell device are thermally coupled to the same cooling system to which other elements of the drive system are coupled. This arrangement provides a simple structure for the cooling system and, in particular, a complex arrangement with separate cooling systems can be avoided.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Brennstoffzellenvorrichtung bezogen auf den Strömungsverlauf des Kühlfluids zwischen der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine und der Getriebeanordnung angeordnet sein. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Brennstoffzellenvorrichtung bezogen auf den Strömungsverlauf des Kühlfluids zwischen dem zumindest einen elektrischen Wandler und der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine angeordnet sein. Gemäß einer weiter alternativen Ausführungsform kann die Brennstoffzellenvorrichtung bezogen auf den Strömungsverlauf des Kühlfluids parallel zu der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine angeordnet sein.According to one specific embodiment, the fuel cell device can be arranged between the at least one electric drive machine and the transmission arrangement in relation to the flow path of the cooling fluid. According to an alternative embodiment, the fuel cell device can be arranged between the at least one electric converter and the at least one electric drive machine with respect to the flow path of the cooling fluid. According to a further alternative embodiment, the fuel cell device can be arranged parallel to the at least one electric drive machine in relation to the flow path of the cooling fluid.

Als Brennstoffzellenvorrichtung kann eine Bauart zum Einsatz kommen, die in einem Temperaturbereich von 0°C bis 100°C, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 75°C bis 100°C betreibbar ist.A design which can be used in a temperature range from 0° C. to 100° C., preferably in a temperature range from 75° C. to 100° C., can be used as the fuel cell device.

Gemäß einer Ausführungsform kann eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines Durchströmungsverhältnisses des Kühlfluids durch die Brennstoffzellenvorrichtung in Bezug auf das die zumindest eine elektrische Antriebsmaschine durchströmende Kühlfluid vorgesehen sein. Hierzu können Ventile mit entsprechenden Steuerungen vorgesehen werden, die bspw. in Abhängigkeit von der Temperatur der zu kühlenden Elemente die Durchströmungsverhältnisse des Kühlfluid einstellen kann.According to one embodiment, a control device for controlling a flow ratio of the cooling fluid through the fuel cell device in relation to the cooling fluid flowing through the at least one electric drive machine can be provided. For this purpose, valves with corresponding controls can be provided, which can adjust the flow conditions of the cooling fluid, for example, depending on the temperature of the elements to be cooled.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Brennstoffzellenvorrichtung mit der Energiespeichervorrichtung zusammenwirken, so dass die Energiespeichervorrichtung die Funktion eines Puffers für durch die Brennstoffzellenvorrichtung erzeugte Energie erfüllen kann. Hierzu kann eine Steuervorrichtung vorgesehen werden, die die von der Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellte Energie in der Energiespeichervorrichtung speichert, wenn überschüssige Energie verfügbar ist. Die in der Energiespeichervorrichtung gespeicherte Energie kann dann verwendet werden, wenn zusätzliche Energie vom System angefordert wird.According to one embodiment, the fuel cell device can interact with the energy storage device, so that the energy storage device can fulfill the function of a buffer for energy generated by the fuel cell device. For this purpose, a control device can be provided, which stores the energy provided by the fuel cell device in the energy storage device when excess energy is available. The energy stored in the energy storage device can then be used when additional energy is requested by the system.

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-lon- 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.According to one embodiment, the energy storage device includes an all-solid-state battery (ASSD). Also referred to as an All Solid State Battery, the solid state battery is characterized by an operating temperature range that differs from the traditional Li-Ion or Li-FePo cells. In particular, solid-state batteries can work in a temperature range from -30°C to +120°C. An optimal temperature window for operating solid-state batteries is between +40°C and +80°C. The energy storage device of the propulsion system may include multiple solid state batteries. Furthermore, the energy storage device may include a combination of solid state batteries and other types of batteries.

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.According to one embodiment, the cooling system may be configured to control an operating temperature of the elements of the drive system within respective predetermined temperature ranges specific to the elements. The temperature can be controlled by designing heat transfer systems in the elements of the drive system. Furthermore, the operating temperature can be controlled by other parameters, such as a flow rate of the cooling fluid, a control of the heat dissipation at the heat-emitting heat exchanger and the like.

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.According to one embodiment, the cooling system can also be provided for a gear arrangement provided in the drive system for transmitting the drive force generated by the at least one electric drive machine. In this case, the transmission arrangement can have a gear transmission for transmitting the driving force of the at least one electric drive machine to the drive wheels of the working machine. Furthermore, the transmission arrangement can have an axle drive that distributes the driving force to the drive wheels of the working machine. The drive axle can also have a differential gear. The cooling system can thus also be integrated into the transmission arrangement, so that the cooling system can correspondingly dissipate heat generated in the transmission arrangement. In the event that the transmission arrangement has a manual transmission, more or less heat is produced by shifting operations, which may have to be dissipated. In the case of electrically operated working machines, however, there are fewer switching operations due to the possible mode of operation of the electric drive machines, so that possibly less heat is generated. This applies in particular to the use of modern transmission designs that have a high level of efficiency in terms of power transmission. The integration of the cooling system into the transmission arrangement can thus be dispensed with. This also applies to the axle drive.

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.Optionally, circulation cooling can be provided in the gear arrangement, with which a cooling effect results due to the circulation of the gear oil located in the gear arrangement. The circulation cooling can also be combined with the cooling system of the drive system.

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.According to one embodiment, the cooling system is additionally provided for an additional device that can be coupled to the drive system. The additional device can have working hydraulics, a power take-off system or an additional electrical output device. In this embodiment, the additional device is cooled by the same cooling system with which the electrical energy storage device is also cooled.

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. According to one embodiment, an adjustable bypass device is provided on the heat exchanger for dissipating the heat in the drive system, which is set up to route at least part of the cooling fluid past the heat exchanger. The bypass device can be designed as a line that flows around the heat exchanger in terms of flow. The line thus leading around the heat exchanger can be coupled to a valve device. With this valve device, the flow rate of the cooling fluid that partially passes through the cooler can be adjusted. In this configuration, the heat dissipated by the cooling system can be regulated so that the elements of the drive system that are cooled by the cooling system can be kept within a predetermined temperature range.

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.In particular, when the drive system is started up, the bypass device on the heat exchanger can be opened, so that the elements of the drive system can be warmed up more quickly.

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.According to one embodiment, the drive system can also have a switchable heating device for dissipating heat to the cooling fluid in the cooling system. The switchable heating device can be operated electrically. It is also possible to configure the switchable heating device in a different way, for example using a heat pump or based on the combustion of a gaseous or liquid fuel. The heater can dissipate heat into the cooling fluid in the cooling system when required. In particular when the drive system of the work machine is started up, some elements of the drive system are not at operating temperature due to the previous idle state. In order to achieve the state of sufficient temperature for operation in as many elements of the drive system as possible as quickly as possible, the heating element can give off heat to the cooling fluid circulating in the cooling system. In this case, the cooling fluid functions as a heat transfer fluid for transferring heat to the elements of the drive system.

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.According to one embodiment, there is an adjustable bypass device on the heater provided, which is set up to conduct at least part of the cooling fluid past the heating device. In a similar way to the heat exchanger, the heating device can thus be bypassed in terms of flow in that part of the cooling fluid is routed past the heating device. For this purpose, a bypass device is provided with a bypass line, which is coupled to a valve device, so that the flow rate of the cooling fluid that flows through the heating device can be adjusted.

Figurenlistecharacter list

  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform eines Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine; 1 shows a schematic representation of an embodiment of a drive system for a working machine;
  • 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des in 1 gezeigten Antriebssystems; 2 shows a modified embodiment of FIG 1 drive system shown;
  • 3 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform des in 1 gezeigten Antriebssystems; und 3 shows a further modified embodiment of FIG 1 drive system shown; and
  • 4 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsformen des in 1-3 gezeigten Antriebssystems. 4 shows a further development of the embodiments of FIG 1-3 shown drive system.

Detaillierte Beschreibung von AusführungsformenDetailed Description of Embodiments

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).In the following, embodiments are described based on the figures. 1 12 shows elements of a drive system 1 for a working machine according to an embodiment. The working machine itself is not shown in the drawings, but the drive system 1 can be used on various working machines, in particular a wheel loader, an agricultural machine or some other self-propelled working machine. The drive system 1, which in 1 is shown has an electrical energy storage device 2 in the form of a battery, which in the present embodiment is designed as a chargeable solid-state battery or all-solid-state battery (ASSB). The electrical energy storage device 2 optionally has further elements, such as an emergency disconnection device and a charging device (not shown).

Das in 1 gezeigte Antriebssystem weist ferner eine Brennstoffzellenvorrichtung 11 auf, die mit einer oder mehreren Brennstoffzellen ausgestattet ist. Die Brennstoffzellen der Brennstoffzellenvorrichtung 11 können mit Wasserstoff betrieben werden. In alternativen Ausführungsformen können auch andere Gase oder flüssiger Brennstoff, wie z.B. Ethanol, zum Einsatz kommen. Der zum Einsatz kommende Brennstoff wird entsprechend des Typs der Brennstoffzelle ausgewählt.This in 1 The drive system shown also has a fuel cell device 11, which is equipped with one or more fuel cells. The fuel cells of the fuel cell device 11 can be operated with hydrogen. In alternative embodiments, other gases or liquid fuels, such as ethanol, can also be used. The fuel used is selected according to the type of fuel cell.

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.Furthermore, the drive system in the in 1 The embodiment shown has a set of electrical converters 3a, 3b which are electrically connected to a set of electrical drive machines 5a, 5b. The electrical drive machines 5a, 5b can thus be operated via the electrical energy that is stored in the electrical energy storage device 2 using the function of the electrical converters 3a, 3b.

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.The electric drive machines 5a, 5b are mechanically coupled to a gear arrangement 6a, 6b. The transmission arrangement 6a, 6b has a manual transmission 6a, which is designed as a power shift transmission in the present embodiment. In the present embodiment, the drive force introduced into the manual transmission 6a by the electric drive machines 5a, 5b is transmitted to a drive axle 6b, which is part of the transmission arrangement 6a, 6b.

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.in the in 1 shown embodiment is also provided an additional device 7 in the form of working hydraulics. The working hydraulics are operated via a hydraulic pump, not shown, and are set up to operate external devices, such as a lifting frame or the like.

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 Antriebsmaschinen 5a, 5b, die Brennstoffzellenvorrichtung 11 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.In the 1 The elements of the drive system shown are integrated in a cooling system. As in 1 is shown, the above-mentioned elements, namely the electrical energy storage device 2, the electrical converters 3a, 3b, the electrical drive machines 5a, 5b, the fuel cell device 11 and the transmission arrangement 6a, 6b and also the additional device 7, are flowed through by a cooling fluid. The cooling fluid in the present embodiment is a glycol-based cooling fluid. The cooling system has a heat exchanger 4 through which the cooling fluid circulates and via which heat can be released to the environment. The heat exchanger 4 is provided with an enlarged surface, so that the heat transfer efficiency between the cooling fluid and the environment can be improved.

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. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Brennstoffzellenvorrichtung 11 im Strömungsverlauf des Kühlfluids nach den elektrischen Antriebsmaschinen 5a, 5b vorgesehen, so dass das aus den elektrischen Antriebsmaschinen 5a, 5b austretende Kühlfluid in die Brennstoffzellenvorrichtung 11 eintritt. Aufgrund des Temperaturbereichs zum Betrieb der Elemente wird ermöglicht, die vorstehend genannten Elemente des Antriebssystems gemeinsam mit der elektrischen Energiespeichervorrichtung 2 und der Brennstoffzellenvorrichtung 11 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.As in 1 As shown, the cooling fluid is passed serially through the above elements. In the present embodiment, the electrical energy storage device 2 is implemented as a solid-state battery that operates in a temperature range of -30°C to +120°C. The optimal temperature window for the operation of solid-state batteries is between +40°C and +80°C. In the present embodiment, the fuel cell device 11 is provided in the flow path of the cooling fluid after the electric drive machines 5a, 5b, so that the cooling fluid emerging from the electric drive machines 5a, 5b in the fuel cell device 11 enters. Due to the temperature range for operating the elements, it is possible to integrate the above-mentioned elements of the drive system together with the electrical energy storage device 2 and the fuel cell device 11 in the same cooling system. A simple system is made possible with this refinement, since the separate cooling of individual elements or element groups of the drive system can be avoided with the aid of separate cooling systems.

In einer abgewandelten Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, ist die Brennstoffzellenvorrichtung 11 im Strömungsverlauf des Kühlfluids nach den elektrischen Wandlern 3a, 3b und vor den elektrischen Antriebsmaschinen 5a, 5b vorgesehen. In dieser Ausführungsform strömt das von den elektrischen Wandlern 3a, 3b austretende Kühlfluid in die Brennstoffzellenvorrichtung 11 und von dieser in die elektrischen Antriebsmaschinen 5a, 5b. Diese Anordnung ist bei entsprechender thermischer Auslegung der zu kühlenden Elemente vorteilhaft. In einer weiter abgewandelten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, ist die Brennstoffzellenvorrichtung 11 strömungstechnisch parallel zu den elektrischen Antriebsmaschinen 5, 5b vorgesehen. In diesem Fall strömt das aus den elektrischen Wandlern 3a, 3b strömende Kühlfluid sowohl in die Brennstoffzellenvorrichtung 11 als auch in die elektrischen Antriebsmaschinen 5a, 5b. Diese Ausgestaltung ist bei entsprechender thermischer Auslegung der zu kühlenden Elemente von Vorteil. In der in 3 gezeigten Abwandlung kann in einer weiter abgewandelten Ausgestaltung eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, mit der das Verhältnis der Durchflussmenge des Kühlfluids durch die Brennstoffzellenvorrichtung 11 bzw. die elektrischen Antriebsmaschinen 5a, 5b eingestellt werden kann. Hierzu sind nicht gezeigte Ventilvorrichtungen vorgesehen, die von einer Steuerungseinrichtung angesteuert werden.In a modified embodiment shown in 2 is shown, the fuel cell device 11 is provided in the flow path of the cooling fluid after the electrical converters 3a, 3b and before the electrical drive machines 5a, 5b. In this embodiment, the cooling fluid emerging from the electrical converters 3a, 3b flows into the fuel cell device 11 and from there into the electrical drive machines 5a, 5b. This arrangement is advantageous with a corresponding thermal design of the elements to be cooled. In a further modified embodiment shown in 3 is shown, the fuel cell device 11 is fluidically provided parallel to the electric drive machines 5, 5b. In this case, the cooling fluid flowing out of the electrical converters 3a, 3b flows both into the fuel cell device 11 and into the electrical drive machines 5a, 5b. This configuration is advantageous with a corresponding thermal design of the elements to be cooled. in the in 3 shown modification can be provided in a further modified embodiment, a control device with which the ratio of the flow rate of the cooling fluid through the fuel cell device 11 and the electric drive machines 5a, 5b can be adjusted. Valve devices, not shown, are provided for this purpose, which are controlled by a control device.

In einer Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, die in 4 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 a further development of the embodiments described above, which are 4 is shown, a heating device 9 is additionally provided in the cooling circuit. In the present embodiment, the heating device 9 is designed as an electrical heating element around which cooling fluid flows. The heating element of the heating device 9 is expediently operated via the electrical energy of the electrical energy storage device 2 . In the present embodiment, a bypass device 10 is also provided, which has a bypass line that fluidically bypasses the heating element of the heating device 9 . A valve of a valve device is provided for this purpose, with which the flow through the heating device 9 can thus be adjusted. The heating device 9 is used when the temperature in the cooling fluid of the cooling system is below a temperature limit. The use of the heating device 9 can expediently shorten the period in which the drive system can be brought to the operating temperature after it has been started up.

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 the in 2 The embodiment shown is provided with a bypass device 8 with a bypass line for the heat exchanger 4 in a manner similar to that for the heating device 9 . In the event that the full cooling capacity of the heat exchanger 4 is not required, the flow rate of the cooling fluid through the heat exchanger 4 can be adjusted by adjusting a valve of the valve device on the bypass device 8 . Both for the heating device 9 and for the heat exchanger 4, the flow through the heat exchanger 4 or the heating device 9 can be completely blocked if this is expedient.

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.In modified embodiments, the drive system has more or fewer than two electric drive machines. Something similar applies to the electrical converters 3a, 3b, which can be provided in a correspondingly required number. In this way, the heat transfer elements of the electrical converters 3a, 3b can be unified, so that the cooling system can be further simplified. In the above embodiment, the transmission arrangement was specified with a manual transmission 6a and an axle drive 6b. The gearbox 6a and the axle drive 6b can also be unified. Furthermore, instead of the manual transmission, a non-shiftable transmission or a continuously variable transmission can be provided in a modified embodiment.

BezugszeichenlisteReference List

11
Antriebssystemdrive system
22
Elektrische EnergiespeichervorrichtungElectrical energy storage device
3a, 3b3a, 3b
Elektrischer Wandlerelectrical converter
44
Wärmetauscherheat exchanger
5a, 5b5a, 5b
Elektrische AntriebsmaschineElectric drive machine
6a, 6b6a, 6b
Getriebeanordnunggear arrangement
77
Zusatzeinrichtungadditional equipment
88th
Bypass-Einrichtungbypass facility
99
Heizvorrichtungheating device
1010
Bypass-Einrichtungbypass facility
1111
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 112014000209 T5 [0003]DE 112014000209 T5 [0003]

Claims (13)

Antriebssystem (1) für eine Arbeitsmaschine, wobei das Antriebsystem (1) eine elektrische Energiespeichervorrichtung (2), zumindest einen elektrischen Wandler (3a, 3b), eine Brennstoffzellenvorrichtung (11) 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), für die elektrische Energiespeichervorrichtung (2) sowie für die Brennstoffzellenvorrichtung (11) vorgesehen ist.Drive system (1) for a working machine, wherein the drive system (1) has an electrical energy storage device (2), at least one electrical converter (3a, 3b), a fuel cell device (11) and at least one electrical drive machine (5a, 5b) for providing a driving force for the working machine, furthermore having a cooling system through which a cooling fluid can flow for dissipating heat generated by elements of the drive system (1) to the environment through at least one heat exchanger (4) integrated in the cooling system, characterized in that the cooling system is used jointly for the at least one electrical converter (3a, 3b) and the at least one electrical drive machine (5a, 5b), for the electrical energy storage device (2) and for the fuel cell device (11) is provided. Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (11) bezogen auf den Strömungsverlauf des Kühlfluids zwischen der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine (5a, 5b) und der Getriebeanordnung (6a, 6b) angeordnet ist.Drive system (1) according to claim 1 , wherein the fuel cell device (11) is arranged in relation to the flow path of the cooling fluid between the at least one electric drive machine (5a, 5b) and the transmission arrangement (6a, 6b). Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (11) bezogen auf den Strömungsverlauf des Kühlfluids zwischen dem zumindest einen elektrischen Wandler (3a, 3b) und der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine (5a, 5b) angeordnet ist.Drive system (1) according to claim 1 , wherein the fuel cell device (11) is arranged in relation to the flow path of the cooling fluid between the at least one electrical converter (3a, 3b) and the at least one electrical drive machine (5a, 5b). Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (11) bezogen auf den Strömungsverlauf des Kühlfluids parallel zu der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine (5a, 5b) angeordnet ist.Drive system (1) according to claim 1 , wherein the fuel cell device (11) is arranged parallel to the at least one electric drive machine (5a, 5b) in relation to the flow path of the cooling fluid. Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines Durchströmungsverhältnisses des Kühlfluids durch die Brennstoffzellenvorrichtung (11) in Bezug auf das die zumindest eine elektrische Antriebsmaschine (5a, 5b) durchströmende Kühlfluid aufweist.drive system claim 4 , characterized in that a control device for controlling a flow ratio of the cooling fluid through the fuel cell device (11) in relation to the cooling fluid flowing through the at least one electric drive machine (5a, 5b). Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (11) mit der Energiespeichervorrichtung (2) zusammenwirkt, so dass die Energiespeichervorrichtung (2) die Funktion eines Puffers für durch die Brennstoffzellenvorrichtung (11) erzeugte Energie erfüllt.Drive system according to one of the preceding claims, wherein the fuel cell device (11) interacts with the energy storage device (2) so that the energy storage device (2) fulfills the function of a buffer for energy generated by the fuel cell device (11). Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichervorrichtung (2) eine Festkörperbatterie (ASSD) aufweist.Drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy storage device (2) has a solid state battery (ASSD). Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.Drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling system is set up to control an operating temperature of the elements of the drive system (1) within respective predetermined temperature ranges specific to the elements. 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.Drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling system is additionally provided for a gear arrangement (6a, 6b) provided in the drive system (1) for transmitting the drive force generated by the at least one electric drive machine (5a, 5b). Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem zusätzlich für eine an das Antriebssystem (1) koppelbare Zusatzeinrichtung (7) vorgesehen ist.Drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling system is additionally provided for an additional device (7) which can be coupled to the drive system (1). 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.Drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an adjustable bypass device (8) is provided on the heat exchanger (4) for dissipating the heat, which is set up to bypass at least part of the cooling fluid on the heat exchanger (4 ) to pass. 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.Drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a switchable heating device (9) is also provided for dissipating heat to the cooling fluid in the cooling system. 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.Drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an adjustable bypass device (10) is provided on the heating device (9), which is designed to route at least part of the cooling fluid past the heating device (9). .
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