DE102022107957A1

DE102022107957A1 - Kraftfahrzeug und Verfahren zum Kühlen eines solchen

Info

Publication number: DE102022107957A1
Application number: DE102022107957.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fritz; Martin Gehring
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-04-04
Filing date: 2022-04-04
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2042-04-05
Also published as: DE102022107957B4

Abstract

Die Erfindung stellt ein Kraftfahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Das Kraftfahrzeug (10) weist ein Heck (11) mit einem Diffusor auf; das Kraftfahrzeug (10) weist eine elektrische Maschine mit einem Ölkühler (13) auf; und der Ölkühler (13) ist derart im Heck (11) angeordnet, dass unter das Kraftfahrzeug (10) strömende Luft (14) den Ölkühler (13) kühlt und durch den Diffusor austritt.Die Erfindung stellt ferner ein entsprechendes Verfahren zum Kühlen eines Kraftfahrzeuges bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Verfahren zum Kühlen eines Kraftfahrzeuges.
Eine exemplarische batterieelektrische Sportlimousine nach dem Stand der Technik weist zur Wärmeabfuhr hinter der Frontschürze angeordnete Kühler, elektronische Lüfter und regelbare Pumpen auf. Zur bedarfsgerechten Temperierung des als Kühlmittel eingesetzten Wassers ist eine entsprechende Peripherie vorgesehen. Die Kühlkreisläufe für Batterie, Antrieb und Klimatisierung der Kabine arbeiten auf unterschiedlichen Temperaturniveaus um 40, 65 und 90 °C, wobei ein Wärmetauscher den Kreislauf des Kühlsystems mit dem Kreislauf der Klimaanlage verbindet und der Antrieb das höchste Temperaturniveau aufweist, der Batteriekreislauf das niedrigste. Zur Kühlung des Stators der permanenterregten Synchronmaschine (PSM) ist ein Wassermantel vorgesehen.
Von einem batterieelektrischen Rennfahrzeug nach dem Stand der Technik ist eine weiterentwickelte PSM mit Öldirektkühlung des Stators bekannt, welche Spitzen- und Dauerleistung sowie Effizienz des Antriebes steigert. Um mehr Wärme unmittelbar an der Quelle abzuführen, wird das dielektrische Kühlöl hier über den Wickelkopf, durch die Nuten entlang der Leiter und über den anderen Wickelkopf des Stators aus diesem hinausgeleitet. Eine Abdichtung schützt dabei den Rotorraum vor dem Eindringen des durch den Stator zirkulierenden Öles, welches durch einen Öl-Wasser-Wärmetauscher gekühlt wird.
DE 10 2013 204 766 A1 und DE 10 2013 204 784 A1 offenbaren eine Fahrzeugachsvorrichtung mit einem Elektromotor, welcher ebenfalls mittels einer Ölkühlung direkt gekühlt wird, und ggf. weiteren, in der Nähe (bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse) angeordneten zu kühlenden Komponenten. Dabei wird das Gehäuse (bzw. eine Gehäusewand, ggf. mit Kühlrippen) zum passiven Kühlen des Öls mittels Luft genutzt. Die Fahrzeugachsenvorrichtung kann dabei an der Vorder- und/oder der Hinterachse des Fahrzeugs angeordnet sein.
EP 3 323 657 A1 offenbart ein in einem hinteren Bereich eines Fahrzeugs angeordnete Fahrvorrichtung mit einem Elektromotor, der mittels zweier Ölkühler, welche hinter der Hinterachse angeordnet sind, gekühlt wird. Dabei wird das Öl mittels eines Luftstroms (durch eine Luftführungsöffnung) gekühlt, welcher von hinten nach vorne strömt.
EP 3 184 336 A1 offenbart ein Kühlsystem für einen Elektromotor (und einen Inverter) mit einem Luft-Öl-Wärmeübertrager, welches thermostatisch regelbar ist.
DE 10 2018 201 819 A1 offenbart eine direkte Ölkühlung mehrerer nahe beieinander angeordneter Komponenten (bspw. mit einem Elektromotor).
US 2019 232 777 A1 und US 2018 257 482 A1 offenbaren einen Öl-Luft-Wärmeübertrager in einem Fahrzeug (unter anderem zum Kühlen eines Elektromotors), welcher einen Luftauslass an der Fahrzeugunterseite aufweist, um den Luftstrom an die Umgebung abzugeben.
EP 1 514 772 A1 offenbart eine Lufteinlassöffnung und Luftausgangsöffnungen zum Luftkühlen von Bauteilen und Aggregaten.
Die Erfindung stellt ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Kühlen eines Kraftfahrzeuges gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der eröffneten Möglichkeit einer Ölkühlung mit Ölkühler ohne Lüfter direkt mit Luft, um die hohe Temperaturdifferenz zur Umgebung voll auszuschöpfen und den Wasserkreislauf bei hohem Kühlbedarf der E-Maschine zu entlasten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann der Ölkühler am oder unmittelbar oberhalb des Unterbodens zwischen dem als Luftaustritt genutzten Diffusor im Heck und einer nahegelegenen NACA-Öffnung im Unterboden angeordnet sein, sodass die unter das Kraftfahrzeug strömende Luft durch die NACA-Öffnung eintritt und den Ölkühler passiert, bevor sie aus dem Diffusor austritt. Eine derartige Ausführungsform beansprucht keinerlei Bauraum im Vorderwagen („Frontend“).
Besondere Vorzüge hat diese Konfiguration in Verbindung mit einem elektrischen Heckantrieb. Der Ölkühler kann in diesem Falle zur Direktkühlung (direct cooling, „DiCo“) des Stators der elektrischen Maschine in deren unmittelbarer Nähe angeordnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform mag der Ölkühler quaderförmig mit einer relativ kleinen Baugröße ausgebildet sein. Die hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Öl und der Umgebungsluftlässt sich auf diese Weise in einem kleinen, einfachen Kühler nutzen, ohne jedoch den Strömungswiderstand des Kraftfahrzeuges nennenswert zu erhöhen.
Schließlich lässt sich die erfindungsgemäße Direktkühlung vollkommen unabhängig von einem getrennten Kühlwasserkreislauf im Vorderwagen einsetzen, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Kühlwassersystem wird so um die Abwärme der direktgekühlten Achse („DiCo-Achse“) entlastet, welche deren Verlustleistung entspricht. Auch ein Öl-Wasser-Wärmetauscher, Ölleitungen zwischen Vorder- und Hinterwagen sowie zusätzliches Kühlwasser werden auf diesem Wege deutlich kleiner oder sogar verzichtbar, was - im Vergleich zu einem Kraftfahrzeug mit thermisch gekoppelten Kühlkreisläufen - Gewicht, Herstellungskosten und Komplexität der geometrischen und funktionalen Anordnung von Bauteilen und unterschiedlichen Ausstattungsvarianten („Package“) senkt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt die Heckansicht eines Kraftfahrzeuges gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt die Seitenansicht des Kraftfahrzeuges in einer teiltransparenten Darstellung.
3 zeigt schematisch die Entlastung des Kühlwasserkreislaufes.

1 illustriert das äußere Erscheinungsbild eines erfindungsgemäßen batterieelektrischen Sportwagens mit DiCo-Hinterachse aus einer dem Heck (11) zugewandten Blickrichtung. Deutlich erkennbar ist so eine Aussparung der Heckschürze für die Mündung eines Diffusortunnels (12), welche sich mittig zum Kraftfahrzeug (10) etwa über dessen halbe Breite erstreckt.
2 beleuchtet die Konfiguration des Kraftfahrzeuges (10) in ihren Einzelheiten. Sichtbar wird so ein - aus Richtung des Hecks (11) betrachtet - hinter dem Diffusor (12) verborgener, quaderförmiger Öl-Luft-Wärmeübertrager, der nachfolgend kurz als Ölkühler (13) bezeichnet wird. Zur Direktkühlung der elektrischen Maschine dienendes Öl, welches aus deren Stator mit einer Temperatur von bis zu 150 °C austritt, wird durch diesen Ölkühler (13) passiv entwärmt.
Hierzu ist eine NACA-Öffnung zwischen Hinterachse und Heck (11) des Kraftfahrzeuges (10) vorgesehen. Durch die abbildungsgemäße Anordnung des Ölkühlers (13) im Unterboden zwischen Diffusor (12) und NACA-Öffnung wird Luft (14), welche durch letztere im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges (10) herangeführt wird, auf die in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges (10) weisende, vorliegend nur etwa 6 dm² große Stirnfläche des Ölkühlers (13) geleitet, bevor sie nach dessen Passieren durch den Diffusor (12) austritt. Bei Bedarf kann eine thermostatische Regelung vorgesehen sein, welche die Kühlleistung des Ölkühlers (13) - etwa durch ein auf die NACA-Öffnung wirkendes Stellglied oder ein Ventil im Kühlölkreislauf - steuert.
Eine derartige Regelung zur Entlastung des Kühlwasserkreislaufs (17) sei nunmehr anhand der 3 erläutert. Bei einer Wärmelast, die so hoch ist, dass der Kühlölkreislauf (18), der ja auch die Batterie kühlt, überlastet wird, wird das Ventil zwischen Öl-Wasser-Wärmetauscher (15) und E-Maschine (16) geschlossen, das Öl strömt durch den Öl-Luft-Wärmetauscher (13) und die Wärme wird ausschließlich über letzteren an die Umgebungsluft (14) abgegeben.
Bei Kaltabfahrten etc. kann es sinnvoll sein, die Wärme aus der E-Maschine (16) in das Kühlwasser zu lenken, um bspw. die Batterie aufzuwärmen. Dann sollte das Ventil geöffnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013204766 A1 [0004]
DE 102013204784 A1 [0004]
EP 3323657 A1 [0005]
EP 3184336 A1 [0006]
DE 102018201819 A1 [0007]
US 2019232777 A1 [0008]
US 2018257482 A1 [0008]
EP 1514772 A1 [0009]

Claims

Kraftfahrzeug (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Kraftfahrzeug (10) weist ein Heck (11) mit einem Diffusor (12) auf, - das Kraftfahrzeug (10) weist eine elektrische Maschine (16) mit einem Ölkühler (13) auf und - der Ölkühler (13) ist derart im Heck (11) angeordnet, dass unter das Kraftfahrzeug (10) strömende Luft (14) den Ölkühler (13) kühlt und durch den Diffusor (12) austritt.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Kraftfahrzeug (10) weist nahe dem Heck (11) eine NACA-Öffnung auf und - der Ölkühler (13) ist derart zwischen dem Diffusor (12) und der NACA-Öffnung angeordnet, dass die Luft (14) durch die NACA-Öffnung eintritt, den Ölkühler (13) passiert und durch den Diffusor (12) austritt.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Ölkühler (13) ist unmittelbar oberhalb eines Unterbodens des Kraftfahrzeuges (10) angeordnet und - die NACA-Öffnung ist im Unterboden vorgesehen.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Ölkühler (13) ist quaderförmig und - der Ölkühler (13) weist seitens der NACA-Öffnung eine Stirnfläche mit einem Flächeninhalt von 6 dm² auf.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Maschine (16) ist nahe dem Heck (11) angeordnet und - der Ölkühler (13) ist dazu eingerichtet, einen Stator der Maschine (16) direkt zu kühlen.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Stator weist umfänglich verteilte Nuten mit Hairpin-Wicklungen auf und - die Maschine (16) und der Ölkühler (13) sind dazu eingerichtet, vom Ölkühler (13) gekühltes Öl entlang der Wicklungen durch die Nuten zu leiten.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Ölkühler (13) weist eine thermostatische Regelung auf und - die Regelung ist dazu eingerichtet, im Stator eine Öltemperatur von höchstens 150 °C einzustellen.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Kraftfahrzeug (10) umfasst einen Vorderwagen mit einem Kühlwasserkreislauf (17) und - der Ölkühler (13) ist fluidtechnisch vom Vorderwagen getrennt.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Kraftfahrzeug (10) weist eine von der Maschine (16) angetriebene Hinterachse auf und - der Ölkühler (13) ist zwischen dem Heck (11) und der Hinterachse angeordnet.
Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine (16) in einem Kraftfahrzeug (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - ein Ölkühler (13) kühlt die Maschine (16) und - unter das Kraftfahrzeug (10) strömende Luft (14) kühlt den Ölkühler (13) und tritt durch einen Diffusor (12) aus.