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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines einen Elektroantrieb, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs umfassenden Ölkühlkreislaufes. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt, welche jeweils das Betriebsverfahren abbilden. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem einen Ölkühlkreislauf für einen Elektroantrieb sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Ölkühlkreislauf.
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Ein Elektromotor bzw. Elektroantrieb, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, kann flüssigkeitsgekühlt ausgeführt sein. Als Kühlflüssigkeit kann dabei eine wasserbasierte Kühlflüssigkeit, wie etwa ein Wasser-Glykol-Gemisch, eines Kühlflüssigkeitskreises und / oder ein Öl eines Ölkühlkreises zum Einsatz kommen.
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Im Folgenden wird zwischen einer wasserbasierten Kühlflüssigkeitskühlung bzw. einem wasserbasierten Kühlflüssigkeitskreis(lauf) und einer Ölkühlung bzw. einem Ölkühlkreis(lauf) unterschieden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Betrieb eines einen Elektromotor bzw. Elektroantrieb umfassenden Ölkühlkreis(lauf)es zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 7 und 8 stellen ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt unter Schutz. Ansprüche 9 und 10 stellen einen Ölkühlkreis(lauf) für einen Elektroantrieb sowie ein Fahrzeug unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
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Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines einen Elektroantrieb, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs umfassenden Ölkühlkreis(lauf)es vorgeschlagen, welcher über einen Wärmetauscher an einen den Elektroantrieb umfassenden Kühlflüssigkeitskreis(lauf) thermisch angebunden ist.
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Dabei wird im Ölkühlkreislauf stromaufwärts des Elektroantriebs sowie eines Getriebes eine Ventileinheit abhängig von zumindest einer Temperatur des Elektroantriebs derart verstellt, dass ein dem Elektroantrieb zugeordneter Ölpfad zumindest teilweise über einen dem Getriebe zugeordneten Ölpfad überbrückt wird.
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Das vorgeschlagene Betriebsverfahren ermöglicht eine bedarfsgerechte Ölkühlung des Elektroantriebs.
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Indem der Elektroantrieb zwischenzeitlich zumindest teilweise überbrückt wird, weil es die zugeordnete(n), überwachte(n) Temperaturen zulassen, lässt sich ein dem Ölkühlkreislauf zugrunde liegender hydraulischer Widerstand und somit eine Reib- bzw. Verlustleistung einer Förderpumpe bzw. Ölpumpe im Ölkühlkreislauf reduzieren.
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Das vorgeschlagene Betriebsverfahren trägt ferner dazu bei, den besagten Ölkühlkreislauf zu erwärmen, weil eine während der - zumindest teilweisen - Überbrückung im Elektroantrieb entstehende Abwärme (Wärmeenergie) an das geförderte Öl in der Umgebung des Elektroantriebs abgestrahlt und dadurch der Ölkühlkreislauf sukzessive erwärmt wird.
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Das vorgeschlagene Betriebsverfahren unterstützt somit vorteilhafterweise die Erwärmung des Öls im Ölkühlkreislauf, welches bei tiefen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen von - 40°C ≤ T ≤ 0°C bekanntlich eine sehr hohe kinematische Viskosität aufweist und sich aufgrund dessen als sehr zähflüssig erweist.
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In einer Ausführung wird abhängig von zumindest einer Temperatur eines kühlflüssigkeitsgekühlten und ölgekühlten Stators des Elektroantriebs die Ventileinheit derart verstellt, dass der dem Elektroantrieb zugeordnete Ölpfad zumindest teilweise über den dem Getriebe zugeordneten Ölpfad überbrückt wird.
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Dabei kann bspw. abhängig von einer Wicklungs-Temperatur des Stators bzw. einer Stator-Wicklungstemperatur entsprechend überbrückt werden.
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Dazu kann zumindest ein Temperaturfühler bzw. Temperatursensor an der StatorWicklung angebracht sein. In Bezug auf den Rotor des Elektroantriebs hingegen wird vorgeschlagen, dass bspw. eine Temperatur eines Permanentmagneten bzw. eine Permanentmagnettemperatur überwacht wird. Dabei kann diese Temperatur des Permanentmagneten unter Verwendung der erfassten Stator-Wicklungstemperatur und basierend auf einem Temperaturmodell näherungsweise geschätzt bzw. bestimmt werden.
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Bezüglich eines solchen Temperaturmodells, bei welchem ausgehend von einer sensorisch erfassten Stator-Wicklungstemperatur alle weiteren Temperaturen eines Elektroantriebs näherungsweise bestimmt werden können, wird an dieser Stelle der Vollständigkeit halber auf das im Buch „Elektrifizierung des Antriebsstrangs“ (2019; Verlag: Springer Berlin Heidelberg; Autoren: Peter Gutzmer, Eike Todsen) beschriebene, sog. Cauer-Modell verwiesen (siehe dazu das Buchkapitel „Sensorik und Regelungsqualität“; zur Temperaturmessung auf Seite 267 ff.).
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Die Temperatur des Öls kann dabei mittels zumindest eines Temperaturfühlers bzw. Temperatursensors erfasst werden, welcher in eine Ölwanne des Ölkühlkreislaufs eingetaucht ist, aus welcher das Öl mittels der Ölpumpe heraus und in den Ölkühlkreislauf gefördert wird.
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In einer weiteren Ausführung wird unterhalb zumindest einer Grenztemperatur des Elektroantriebs die Ventileinheit derart verstellt, dass der dem Elektroantrieb zugeordnete Ölpfad zumindest teilweise über den dem Getriebe zugeordneten Ölpfad überbrückt wird.
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In der Ventileinheit kann dabei ein 3/2-Wegeventil verwendet werden.
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Alternativ dazu kann in der Ventileinheit ein Absperrventil oder ein Drosselventil verwendet werden.
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Die zuvor genannten Grenztemperaturen können dabei in einer Ausführung wie folgt definiert werden: die Grenztemperatur des Stators, etwa mit Bezug auf seine Wicklung, beträgt ca. 180°C, die Grenztemperatur des Rotors, etwa mit Bezug auf seine Permanentmagneten, beträgt ca. 180°C und die Grenztemperatur des Öls beträgt ca. 120°C.
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Es wird ferner ein Computerprogramm zur Durchführung des vorhergehend beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen.
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Es wird ferner ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, umfassend Programmcode-Mittel, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das vorhergehend beschriebene Verfahren durchzuführen, wenn die Programm-code-Mittel auf einem Computer ausgeführt werden.
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Des Weiteren wird ein Ölkühlkreis(lauf) für einen Elektroantrieb, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei der Ölkühlkreis(lauf) stromaufwärts des Elektroantriebs sowie eines Getriebes (21) eine Ventileinheit aufweist, welche über eine zugeordnete Steuerungseinheit steuerbar ist, wobei die Steuerungseinheit ein Computerprogrammprodukt der zuvor beschriebenen Art aufweist.
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Zudem wird ein Fahrzeug mit einem Ölkühlkreis(lauf) der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich dabei um ein batterieelektrisches Fahrzeug (Battery Electric Vehicle, kurz: BEV), ein Hybridelektrokraftfahrzeug (Hybrid Electric Vehicle, kurz: HEV) oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (Fuel Cell Electric Vehicle, kurz: FCEV) handeln.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigen:
- 1 Wärmetransportmittelkreis(läuf)e eines Thermomanagementsystems eines Fahrzeugs;
- 2 den unteren Teil des in 1 gezeigten Systems in einer weiteren Darstellung;
- 3 den in 2 gezeigten Ölkühlkreis(lauf) in einer weiteren Darstellung; und
- 4 den in 3 gezeigten Ölkühlkreis(lauf) in einer alternativen Darstellung.
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Das in der 1 veranschaulichte Thermomanagementsystem bzw. Wärmetransportmittelsystem 1 umfasst einen Kühlflüssigkeitskreis bzw. Kühlflüssigkeitskreislauf 2 für eine Batterie 5, einen Kühlflüssigkeitskreis bzw. Kühlflüssigkeitskreislauf 3 für einen E-Motor bzw. Elektroantrieb 9 zum Antrieb des Fahrzeugs sowie einen Kältemittelkreis bzw. Kältemittelkreislauf 4 einer Klimaanlage. Der Kühlflüssigkeitskreislauf 2 ist dabei über einen Wärmetauscher 15 - auch Chiller genannt - an den Kältemittelkreislauf 4 thermisch angebunden.
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In diesen beiden Kühlflüssigkeitskreisläufen 2, 3, die über eine sog. Mehrwegeventileinheit, etwa mit einem 5/3-Wegeventil 12 miteinander verbindbar oder voneinander trennbar sind (zur Reihen- und / oder Parallelschaltung), wird eine Kühlflüssigkeit mittels einer eigenen bzw. dem jeweiligen Kühlflüssigkeitskreislauf 2, 3 zugeordneten elektrischen Pumpe 6, 10 gefördert bzw. umgewälzt. Über das 5/3-Wegeventil 12 lassen sich dabei vorteilhafterweise auch sog. Mischzustände zwischen den Kühlflüssigkeitskreisläufen 2, 3 einstellen.
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Der Kühlflüssigkeitskreislauf 3 umfasst zudem stromaufwärts des Elektroantriebs 9 ein Ladegerät 7 sowie eine Leistungselektronik bzw. einen Inverter 8. Stromabwärts des Elektroantriebs 9 findet sich ein Knotenpunkt bzw. Verzweigungspunkt 18, über welchen einerseits ein Bypass-Pfad 14 und andererseits ein Radiatorpfad 13 über einen Radiator bzw. Kühler 11 zum besagten Mehrwegeventil 12 zurück führen.
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Der Elektroantrieb 9 und die Leistungselektronik 8 sollen bei einer Kühlflüssigkeits- bzw. Kühlwassertemperatur von ca. 80 bis maximal 85°C betrieben werden. Dabei hat die Kühlflüssigkeit am Eingang in die Leistungselektronik 8 eine Temperatur von etwa 55°C und am Eingang in den Elektroantrieb 9 eine Temperatur von etwa 65°C. Am Ausgang des Elektroantriebs 9 hat die Kühlflüssigkeit dann eine Temperatur von ca. 80 bis maximal 85°C.
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Die Batterie 5 bzw. die einzelnen Batteriezellen hingegen sollen bei einer Kühlflüssigkeits- bzw. Kühlwassertemperatur am Ausgang der Batterie 5 von ca. 20°C bis ca. 40°C betrieben werden, denn dies stellt einen optimalen Betriebstemperaturbereich der Batterie 5 sicher. Beide Kühlflüssigkeitskreisläufe 2, 3 müssen Wärme sowohl aufnehmen als auch abgeben können.
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Unter einer wasserbasierten Kühlflüssigkeit ist dabei eine Mischung von Wasser mit einem Kühlzusatzmittel zu verstehen. Die Kühlflüssigkeit hat dabei nicht nur die Aufgabe, Abwärme aufzunehmen und zu transportieren. Das Kühlzusatzmittel soll dabei auch das Wasser vor dem Durchfrieren schützen, die beiden Kühlflüssigkeitskreisläufe vor Korrosion schützen, die beweglichen Teile in den beiden Kühlflüssigkeitskreisläufen schmieren sowie Kunststoff- und / oder Gummielemente in den beiden Kühlflüssigkeitskreisläufen vor Auflösung schützen. Die Kühlflüssigkeit kann z.B. ein sog. Wasser-Glykol-Gemisch sein.
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Der Elektroantrieb 9 ist sowohl kühlflüssigkeitsgekühlt als auch ölgekühlt. 2 veranschaulicht hierzu eine Kühlflüssigkeitskühlung eines Stators 15 sowie eine Ölkühlung zur zusätzlichen Kühlung des Elektroantriebs 9. Der Stator 15 ist dabei vom Kühlflüssigkeitskreislauf 3 sowie vom Ölkühlkreislauf 28 umfasst, wohingegen der Rotor 22 des E-Motors 9 nur vom Ölkühlkreislauf 28 umfasst ist. Der Ölkühlkreislauf 28 ist dabei über einen Wärmetauscher 16 und die beiden Leitungsabschnitte 17l, 17ll stromaufwärts bzw. stromabwärts des Stators 15 an den Kühlflüssigkeitskreislauf 3 thermisch angebunden.
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Der Ölkühlkreislauf 28 umfasst zudem ein Getriebe bzw. Untersetzungsgetriebe 21, z.B. in Gestalt eines ein-, zwei- oder dreistufigen Getriebes, welches mit dem Elektroantrieb 9, 15, 22 eine E-Motor-Getriebe-Antriebseinheit bildet. Der Ölkühlkreislauf 28 umfasst ferner eine elektrisch und / oder mechanisch betriebene Ölpumpe 19, einen der Ölpumpe 19 fluidisch vorgeschalteten Ölfilter 20, zwei Temperatursensoren 26, 27 sowie zwei Drucksensoren 23, 25. Die Drucksensoren 23, 25 sind dabei stromabwärts der Ölpumpe 19 und stromaufwärts des Wärmetauschers 16 bzw. zwischen der Ölpumpe 19 und dem Wärmetauscher 16 angeordnet, wohingegen ein Temperatursensor 26 stromabwärts des Wärmetauschers 16 und stromaufwärts des Rotors 22 und ein weiterer Temperatursensor 27 stromabwärts des Getriebes 21 und stromaufwärts des Ölfilters 20 angeordnet ist. Somit lassen sich sowohl der Ölfluss als auch die Temperatur im Ölkühlkreislauf 28 entsprechend überwachen und steuern und/oder regeln.
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Über den Wärmetauscher 16 wird eine vom Ölkühlkreislauf 28 aufgenommene Abwärme des Elektroantriebs 9 dem Kühlflüssigkeitskreislauf 3 zugeführt. Dabei ist der Wärmetauscher 16 zum Stator 15 fluidisch parallel angeordnet. Eine erste Zuleitung 17l führt dabei von einem Knotenpunkt des Kühlflüssigkeitskreislaufs 3 stromaufwärts des Stators 15 zum Wärmetauscher 16 und eine zweite Zuleitung 17ll vom Wärmetauscher 16 zum besagten Knotenpunkt 18 stromabwärts des Stators 15.
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Durch eine Welle des Rotors 22 wird das geförderte Öl, welches auch zur Schmierung und Kühlung des Getriebes 21 verwendet wird, bis zu mindestens einer Austrittsstelle des Rotors 22 gefördert. Von dieser Austrittsstelle wird das Öl fliehkraftbedingt gegen die Wicklungen des Stators 15 geschleudert bzw. verspritzt, wobei sich das Öl auch über den Rotor 22 verteilt und dabei auch bis zu den beiden Lagerstellen der Rotorwelle gelangt. Das Öl fließt schließlich bis in eine - hier nicht dargestellte - Ölwanne, die am Stator 15 angebracht ist. Die Ölpumpe 19 saugt das Öl aus dieser Ölwanne an und fördert es in den Ölkühlkreislauf 28. Das Öl kühlt dabei den Elektroantrieb 9 zusätzlich zur Kühlflüssigkeit des Kühlflüssigkeitskreislaufs 3, indem es die Abwärme des Stators 15 und des Rotors 22 aufnimmt und über den Wärmetauscher 16 an den Kühlflüssigkeitskreislauf 3 abgibt.
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Im Folgenden wird ein Betrieb des Ölkühlkreislaufs 28 (siehe 2) unter Bezugnahme auf die 3 vorgeschlagen, in welcher der Ölkühlkreislauf 28 im Unterschied zur 2 vergleichsweise vereinfacht, d.h. ohne den Wärmetauscher 16 und die Sensoren 23, 25, 26, 27 dargestellt ist.
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Der Ölkühlkreislauf 28 weist dabei stromaufwärts des Elektroantriebs 9, 15, 22 bzw. E-Motors EM sowie des Getriebes 21 eine Ventileinheit, etwa mit einem 3/2-Wegeventil 30 auf (3). Das Getriebe 21 ist dabei fluidisch parallel zum Elektroantrieb 9, 15, 22 bzw. zum E-Motor EM angeordnet.
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Unterhalb zumindest einer definierbaren Grenztemperatur des Elektroantriebs 9, 15, 22, etwa einer Wicklungs-Temperatur des Stators 15, wird die Ventileinheit derart verstellt, dass ein dem Elektroantrieb 9, 15, 22 zugeordneter Ölpfad bspw. vollständig bzw. gänzlich über einen dem Getriebe 21 zugeordneten Ölpfad überbrückt wird. Somit durchströmt einen sowohl kühlflüssigkeitsgekühlten als auch ölgekühlten Stator 15 zwischenzeitlich kein gefördertes Öl 32, weil es die überwachte Wicklungs-Temperatur erlaubt bzw. zulässt. Zur Temperaturüberwachung des Elektroantriebs 9, 15, 22 bietet sich eine Temperatur des Stators 15 und / oder des Rotors 22 und / oder des Öls 32 an, welche sich jeweils betriebsbedingt erwärmen.
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Indem der Elektroantrieb 9, 15, 22 bzw. E-Motor EM überbrückt wird, reduziert sich vorteilhafterweise ein sog. hydraulischer Widerstand des Ölkühlkreislaufs 28. Dadurch reduzieren sich auch Verluste der Ölpumpe 19, die - wie bereits zuvor ausgeführt ist - elektrisch und / oder mechanisch angetrieben sein kann.
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Die besagte Überbrückung bedingt eine zusätzliche Erwärmung des Elektroantriebs 9, 15, 22. Und wenn man bedenkt, dass der Elektroantrieb 9, 15, 22 mit dem Getriebe 21 - wie schon zuvor ausgeführt ist - eine sog. E - Motor-Getriebe-Antriebseinheit bildet, so lässt sich nachvollziehen, dass der Elektroantrieb 9, 15, 22 in seiner Umgebung eine Abwärme an das geförderte Öl 32 abstrahlt, so dass auch dadurch das Öl 32 sukzessive erwärmt wird. Dies wiederum unterstützt einen Betrieb der Ölpumpe 19 bei tiefen Temperaturen von - 40°C ≤ T ≤ 0°C, bei welchen das Öl 32 bekanntlich eine sehr hohe kinematische Viskosität aufweist und sich aufgrund dessen als sehr zähflüssig erweist.
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Die Ventileinheit kann aber auch derart ausgebildet sein, als dass sie temperaturabhängig den Ölpfad zum Elektroantrieb 9, 15, 22 nur teilweise schließt, so dass sie den Ölpfad mit dem Elektroantrieb 9, 15, 22 nur teilweise überbrückt. Somit lassen sich stromabwärts der Ventileinheit entsprechende kühlbedarfsgerechte Ölströme einstellen.
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Alternativ zum 3/2-Wegeventil kann die besagte Ventileinheit auch ein Absperrventil 30a oder ein Drosselventil 30a aufweisen (siehe 4).
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Die in den 3 und 4 gezeigte Ölwanne 31 kann dabei am Stator 15 der besagten E-Motor-Getriebe-Antriebseinheit 9, 15, 22, 21 vorgesehen sein. Anstelle einer einzigen Ölwanne 31 kann auch eine Kombination aus einer als Trockensumpf fungierenden ersten Ölwanne und einer fluidisch nachgelagert angeordneten, als Ölvorratsbehälter fungierenden zweiten Ölwanne vorgesehen sein.
