DE112011102723T5

DE112011102723T5 - Mit Abwärrme betriebener Absorptionskühlkreislauf

Info

Publication number: DE112011102723T5
Application number: DE112011102723T
Authority: DE
Inventors: Alex Creviston
Original assignee: Remy Technologies LLC
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: WO2012024476A2; US8978395B2; US20120042665A1; WO2012024476A3; CN103119837A; DE112011102723B4

Abstract

Ein elektrisches Maschinensystem umfasst: einen Elektromotor; und ein Absorptionskühlsystem, das durch Wärme betrieben wird, die durch den Elektromotor erzeugt wird, und ausgelegt ist, ein primäres Kühlfluid, das die Wärme von dem Elektromotor entfernt, auf eine Temperatur unter einer Umgebungstemperatur einer endgültigen Wärmesenke zu kühlen. Ein Verfahren zum Betreiben des elektrischen Maschinensystems wird ebenso offenbart.

Description

HINTERGRUND
Beispielhafte Ausführungsformen betreffen das Gebiet der elektrischen Maschinen und insbesondere elektrische Maschinensysteme mit einer verbesserten Kühlung.
Elektrofahrzeuge (EVs) oder hybridelektrische Fahrzeuge (HEVs) gewinnen bei steigenden Kraftstoffpreisen an Popularität und die Verbraucher haben ein größeres Bewusstsein für die Umwelteinwirkungen, die durch herkömmliche Fahrzeuge verursacht werden. Sowohl EVs als auch HEVs verwenden einen Fahrmotor, der für den Antrieb mit Elektrizität versorgt wird, um Emissionen zu verringern.
Fahrmotoren mit großer Leistung und die Elektronik, wie zum Beispiel Wechselrichter, welche die elektrische Energie und die Steuerung bereitstellen, können erhebliche Wärmemengen erzeugen. Die Wärme muss entfernt werden, damit die Motoren und die Elektronik effizient und zuverlässig arbeiten. Da die Effizienz und die Zuverlässigkeit immer wichtiger wird, um die Verwendung von EVs und HEVs durch die Öffentlichkeit zu fördern, um so Emissionen zu verringern und die Luftqualität zu verbessern, würden verbesserte Kühlsysteme mit einem positiven Effekt auf die elektrische Leistungsfähigkeit und auf die Langlebigkeit von dem Gebiet wohl aufgenommen werden.
KURZBESCHREIBUNG
Offenbart ist ein elektrisches Maschinensystem, das umfasst: einen Elektromotor; und ein Absorptionskühlsystem, das durch Wärme betrieben wird, die durch den Elektromotor erzeugt wird, und ausgelegt ist, ein primäres Kühlfluid, das die Wärme von dem Elektromotor entfernt, auf eine Temperatur unter einer Umgebungstemperatur einer endgültigen Wärmesenke zu kühlen.
Ebenso offenbart ist ein elektrisches Maschinensystem, das umfasst: einen Elektromotor; einen Wechselrichter, der ausgelegt ist, den Elektromotor zu betreiben; und ein Absorptionskühlsystem, das durch Wärme betrieben wird, die durch den Elektromotor oder den Wechselrichter erzeugt wird, und ausgelegt ist, ein primäres Kühlfluid, das die Wärme von dem Elektromotor oder dem Wechselrichter entfernt, auf eine Temperatur unter einer Umgebungstemperatur einer endgültigen Wärmesenke zu kühlen.
Des Weiteren offenbart ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems, das einen Elektromotor aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Entfernen von Wärme von dem Elektromotor; Erwärmen eines Arbeitsfluids in einem Absorptionskühlsystem mit der entfernten Wärme, um das Absorptionskühlsystem zu betreiben; Kühlen eines Kühlfluids unter eine Temperatur einer endgültigen Wärmesenke unter Verwendung des Absorptionskühlsystems; und Kühlen des Elektromotors unter Verwendung des gekühlten Kühlfluids.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende Beschreibung ist nicht einschränkend in irgendeiner Weise aufzufassen. Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen sind gleiche Elemente gleich nummeriert:
1 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Maschinensystems dar, das einen Elektromotor und ein mit Wärme betriebenes Absorptionskühlsystem aufweist;
2 veranschaulicht Aspekte des mit Wärme betriebenen Absorptionskühlsystems, das in einem EV angeordnet ist;
3 veranschaulicht Aspekte des mit Wärme betriebenen Absorptionskühlsystems, das in einem HEV angeordnet ist; und
4 stellt ein Beispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems vor, welches das mit Wärme betriebene Absorptionskühlsystem aufweist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine ausführliche Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen der offenbarten Vorrichtung und des Verfahrens ist hierin veranschaulichend und nicht einschränkend mit Bezug auf die Figuren dargelegt.
Ein elektrisches Maschinensystem in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform ist allgemein bei 2 in 1 angegeben. In der Ausführungsform der 1 ist das elektrische Maschinensystem 2 ein Fahrzeug, wie zum Beispiel ein EV oder ein HEV. Das elektrische Maschinensystem 2 umfasst eine elektrische Maschine, die in Form eines Fahrmotors oder Elektromotors 3 dargestellt ist. Für dynamische Bremsvorgänge kann der Elektromotor 3 ebenso in einer elektrischen Generatorbetriebsart verwendet werden. Der Elektromotor 3 wird von einem Wechselrichter 4 versorgt, wie zum Beispiel einem drehzahlvariablen Motorantrieb, der die Motordrehzahl durch Verändern einer Ausgangsfrequenz variiert. Der Wechselrichter 4 erhält die elektrische Energie von einer Gleichstromquelle (DC), wie zum Beispiel einer Batterie 5. Komponenten, die ein Entfernen von Wärme erfordern, wie zum Beispiel der Elektromotor 3 und der Wechselrichter 4, werden von einem primären Kühlfluid 6 gekühlt, das wiederum von einem mit Wärme betriebenen Absorptionskühlsystem gekühlt oder abgekühlt wird, das hierin als das Absorptionskühlsystem 7 bezeichnet wird.
In herkömmlichen Kühlsystemen wird eine Flüssigkeit verwendet, um Wärme von den Wärme erzeugenden Komponenten zu entfernen. Die Wärme wird dann von der Flüssigkeit allgemein unter Verwendung eines Flüssigkeits-Luft-Wärmetauschers, wie zum Beispiel einem Radiator, entfernt, wobei die Umgebungsluft die endgültige Wärmesenke ist. Ein Bestandteil der Kühlsystemeffizienz ist die Temperaturdifferenz, delta T, zwischen der Flüssigkeit und der Luft (d. h. zwischen der warmen und der kalten Seite des Wärmetauschers). Die Temperatur der kalten Seite des Radiators ist allgemein die Umgebungslufttemperatur. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Kühlsystemen verwendet das Absorptionskühlsystem 6 Abwärme von den Wärme erzeugenden Komponenten, um einen Absorptionskühlkreislauf zum Verringern der Temperatur eines sekundären Kühlfluids unter die Umgebungslufttemperatur zu betreiben, wodurch delta T vergrößert wird. Durch das Vergrößern von delta T wird die Kühleffizienz erhöht mit einer resultierenden Steigerung der elektrischen Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit der Wärme erzeugenden Komponenten. Da Abwärme zum Betreiben des Absorptionskühlsystems 7 verwendet wird, werden die Vorteile der erhöhten Kühleffizienz ohne eine korrespondierende Verringerung der Energieeffizienz des elektrischen Maschinensystems 2 erhalten.
In einer Ausführungsform des Absorptionskühlsystems 7 wird ein Arbeitsfluid (d. h. ein Kühlmittel) mit einem niedrigen Siedepunkt, im Allgemeinen weniger als 0 Grad F, in einem Absorptionskühlkreislauf verwendet (ebenfalls als Absorptionskältekreislauf bekannt). Ammoniak mit einem Siedepunkt von –28 Grad F ist ein nicht einschränkendes Beispiel des Arbeitsfluids. Verwendend Ammoniak als ein Beispiel, wird flüssiges Ammoniak mit einem Wasserstoffgas gemischt. Wenn es mit dem Wasserstoffgas gemischt wird, verdampft das flüssige Ammoniak, wobei es Wärme absorbiert, um das Kühlen bereitzustellen. Das gasförmige Ammoniak wird dann mit Wasser gemischt, welches das Ammoniak absorbiert. Die Wasser-Ammoniak-Lösung wird dann unter Verwendung der Abwärme erwärmt, um das Ammoniakgas aus der Lösung auszukochen. Als nächstes wird das Ammoniakgas wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert und zum Mischen mit dem Wasserstoffgas befördert, um den Absorptionskühlkreislauf zu vervollständigen.
Verschiedene Arten von Absorptionskühlkreisläufen können in dem Absorptionskühlkreislauf 7 verwendet werden. Diese Absorptionskühlkreisläufe werden ausgiebig in Abwärmenutzungsanlagen verwendet, um industriellen Prozessen Kühlung bereitzustellen oder Gebäuden während der Sommermonate Kühlung bereitzustellen. Da die verschiedenen Arten von Absorptionskühlkreisläufen und die zugehörige Thermodynamik im Stand der Technik gut bekannt sind, werden sie hierin nicht ausführlicher erläutert.
Es wird nun Bezug auf 2 genommen, die Aspekte des elektrischen Maschinensystems 2 in einer Ausführungsform eines EV darstellt. In der Ausführungsform der 2 umfasst das Absorptionskühlsystem 7 eine Absorptionskältemaschine 20 und einen Wärmetauscher 21. Geringwertige Abwärme von dem Elektromotor 3 und dem Wechselrichter 4 wird der Absorptionskältemaschine 20 über das primäre Kühlfluid 6 bereitgestellt, das durch den Elektromotor 3 und den Wechselrichter 4 umgewälzt wird. Der Ausdruck „geringwertig” bezieht sich auf die Abwärme, die eine Temperatur aufweist, die geringer ist als eine Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors. Die geringwertige Abwärme wird von der Absorptionskältemaschine 20 verwendet, um ein Arbeitsfluid in einem Absorptionskühlkreislauf zu erwärmen, welcher von der Absorptionskältemaschine 20 verwendet wird. Das Erwärmen des Arbeitsfluids betreibt den Absorptionskühlkreislauf, um ein sekundäres Kühlfluid 22 auf eine Temperatur unter einer Temperatur einer endgültigen Wärmesenke 23 abzukühlen. In der Ausführungsform der 2 ist die endgültige Wärmesenke 23 Umgebungsluft.
Das sekundäre Kühlfluid 22, das sich in einem abgekühlten Zustand befindet, wird durch eine kalte Seite des Wärmetauschers 21 in Umlauf gebracht. Das primäre Kühlfluid 6, das die Absorptionskältemaschine 20 verlässt, wird durch eine warme Seite des Wärmetauschers 21 in Umlauf gebracht. In dem Wärmetauscher 21 wird das primäre Kühlfluid 6 durch das abgekühlte sekundäre Kühlfluid 21 auf eine Temperatur unter der Temperatur der endgültigen Wärmesenke gekühlt. Somit führt das primäre Kühlfluid 6, das den Wärmetauscher 21 verlässt, zu dem delta T, das größer ist als das delta T, das sich ergeben würde, wenn die Temperatur des primären Kühlfluids 6 etwa der Temperatur der endgültigen Wärmesenke 23 entsprechen würde.
Es wird nun Bezug auf 3 genommen, die Aspekte des elektrischen Maschinensystems 2 in einer Ausführungsform eines HEV darstellt. In der Ausführungsform der 3 umfasst das elektrische Maschinensystem 2 einen Verbrennungsmotor 30, der mit einem elektrischen Generator 31 verbunden ist. Der Motor 30 ist ausgelegt, den elektrischen Generator 31, der die Batterie 5 lädt, zu drehen oder das HEV mechanisch anzutreiben.
Das Absorptionskühlsystem 7 in 3 arbeitet wie mit Bezug auf 2 beschrieben. Zusätzlich erhält das Absorptionskühlsystem 7 hochwertige Abwärme von dem Abgas, das von dem Motor 30 ausgestoßen wird. Die hochwertige Wärme wird, wie die geringwertige Wärme, von der Absorptionskältemaschine 20 verwendet, ein Arbeitsfluid in einem Absorptionskühlkreislauf zu erwärmen, der von der Absorptionskältemaschine 20 verwendet wird. Das Erwärmen des Arbeitsfluids betreibt den Absorptionskühlkreislauf, um das sekundäre Fluid 22 auf eine Temperatur unter einer Temperatur einer endgültigen Wärmesenke 23 abzukühlen. Um zu verhindern, dass die Absorptionskältemaschine 20 aufgrund von zuviel Abgaswärme überhitzt und Schaden nimmt, ist ein Abgasumleitventil 33 stromauf des Abgaseinlasses in die Absorptionskältemaschine 20 angeordnet. Das Abgasumleitventil 33 kann fest, manuell verstellbar oder automatisch unter Verwendung eines Temperatursensors und einer Steuervorrichtung (beides nicht dargestellt) verstellbar sein.
Zusätzlich zur oder anstelle der Verwendung des Motorabgases zur Bereitstellung von Wärme kann ein Motorkühlfluid 34, das durch den Motor 30 umgewälzt wird, verwendet werden, um das Arbeitsfluid in der Absorptionskältemaschine 20 zu erwärmen. Das Motorkühlfluid 34 kann zum Beispiel durch einen Kühlmantel 35 des Motors 30 umgewälzt werden.
Es ist zu verstehen, dass die verschiedenen Strömungswege der verschiedenen Kühlfluids, die in den 2 und 3 dargestellt sind, modifiziert werden können, ohne von dem Sinn der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können Strömungswege in Abhängigkeit von Beschränkungen gewählt werden, welche die maximalen Temperaturen und die bei der Abstimmung der verschiedenen Wärmeübertragungskreisläufe erzielte Effizienz betreffen.
4 stellt ein Beispiel eines Verfahrens 40 zum Betreiben des elektrischen Maschinensystems 2 dar. Das Verfahren 40 verlangt (Schritt 41) das Entfernen von Wärme von einem Elektromotor unter Verwendung eines Kühlfluids, das erwärmt wird. Ferner verlangt das Verfahren (Schritt 42) das Erwärmen eines Arbeitsfluids in dem Absorptionskühlsystem mit dem erwärmten Kühlfluid, um das Absorptionskühlsystem zu betreiben. Der Ausdruck „betreiben” bezieht sich auf das Bereitstellen von Wärme, die verwendet wird, das Absorptionskühlsystem zu versorgen. Des Weiteren verlangt das Verfahren 40 (Schritt 43) das Kühlen des Kühlfluids unter eine Temperatur einer endgültigen Wärmesenke unter Verwendung des Absorptionskühlsystems. Ferner verlangt das Verfahren 40 (Schritt 44) das Umwälzen des gekühlten Kühlfluids zu dem Elektromotor.
Elemente der Ausführungsformen wurden eingeführt mit dem Artikel „ein”. Der Artikel bedeutet, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Ausdrücke „umfassen” und „aufweisen” sind derart einschließlich beabsichtigt, dass es zusätzliche, andere Elemente zu den aufgelisteten Elementen geben kann. Die Konjunktion „oder” bedeutet, wenn sie mit einer Liste von wenigstens zwei Begriffen verwendet wird, irgendeinen Begriff oder eine Kombination der Begriffe. Der Ausdruck „verbinden” bezieht sich auf eine Komponente, die entweder direkt mit einer anderen Komponente oder indirekt mit der anderen Komponente über eine oder mehrere Zwischenkomponenten verbunden ist.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine veranschaulichende Ausführungsform oder Ausführungsformen beschrieben wurde, ist von den Fachleuten zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und Elemente hiervon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne den wesentlichen Geltungsbereich hiervon zu verlassen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste erachtete Art zur Ausführung dieser Erfindung offenbart ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen.

Claims

Elektrisches Maschinensystem, aufweisend: einen Elektromotor; und ein Absorptionskühlsystem, das durch Wärme betrieben wird, die durch den Elektromotor erzeugt wird, und ausgelegt ist, ein primäres Kühlfluid, das die Wärme von dem Elektromotor entfernt, auf eine Temperatur unter einer Umgebungstemperatur einer endgültigen Wärmesenke zu kühlen.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, wobei die endgültige Wärmesenke Umgebungsluft ist.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, wobei das Absorptionskühlsystem eine Absorptionskältemaschine aufweist, die mit einem Wärmetauscher verbunden ist, der ausgelegt ist, das primäre Kühlfluid zu kühlen.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 3, wobei ein sekundäres Kühlfluid Wärme von dem Wärmetauscher entfernt.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Wechselrichter, der ausgelegt ist, den Elektromotor zu betreiben, wobei Wärme, die durch den Wechselrichter erzeugt wird, verwendet wird, das Absorptionskühlsystem zu betreiben, und das Kühlfluid die Wärme entfernt, die durch den Wechselrichter erzeugt wird.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Verbrennungsmotor, der ausgelegt ist, einen elektrischen Generator zu drehen, um Energie zu erzeugen, die dem Elektromotor zugeführt werden soll, wobei Wärme, die durch den Motor erzeugt wird, verwendet wird, das Absorptionskühlsystem zu betreiben.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 6, wobei Abgaswärme von dem Motor verwendet wird, das Absorptionskühlsystem zu betreiben.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 7, ferner aufweisend ein Abgasumleitventil, das ausgelegt ist, einen Teil des Abgases umzuleiten, bevor der Teil in das Absorptionskühlsystem eintritt.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 6, wobei das primäre Kühlfluid durch den Motor umgewälzt wird und Wärme von dem Motor verwendet wird, das Absorptionskühlsystem zu betreiben.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 6, wobei ein Motorkühlfluid durch den Motor und das Absorptionskühlsystem umgewälzt wird und verwendet wird, um Motorwärme zum Betreiben des Absorptionskühlsystems zu übertragen.
Elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor ausgelegt ist, ein Fahrzeug anzutreiben.
Elektrisches Maschinensystem, aufweisend: einen Elektromotor; einen Wechselrichter, der ausgelegt ist, den Elektromotor zu betreiben; und ein Absorptionskühlsystem, das durch Wärme betrieben wird, die durch den Elektromotor oder den Wechselrichter erzeugt wird, und ausgelegt ist, ein primäres Kühlfluid, das die Wärme von dem Elektromotor oder dem Wechselrichter entfernt, auf eine Temperatur unter einer Umgebungstemperatur einer endgültigen Wärmesenke zu kühlen.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems, das einen Elektromotor aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Entfernen von Wärme von dem Elektromotor; Erwärmen eines Arbeitsfluids in einem Absorptionskühlsystem mit der entfernten Wärme, um das Absorptionskühlsystem zu betreiben; Kühlen eines Kühlfluids unter eine Temperatur einer endgültigen Wärmesenke unter Verwendung des Absorptionskühlsystems; und Kühlen des Elektromotors unter Verwendung des gekühlten Kühlfluids.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems nach Anspruch 13, ferner aufweisend das Kühlen eines Wechselrichters mit dem gekühlten Kühlfluid, wobei der Wechselrichter ausgelegt ist, den Elektromotor zu betreiben.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems nach Anspruch 13, ferner aufweisend das Entfernen von Wärme von einem Verbrennungsmotor, der ausgelegt ist, einen elektrischen Generator zu drehen, um Energie zu erzeugen, die dem Elektromotor zugeführt werden soll, und Verwenden der Motorwärme, um das Arbeitsfluid zum Betreiben des Absorptionskühlsystems zu erwärmen.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems nach Anspruch 15, wobei das Abgas von dem Motor verwendet wird, die Wärme von dem Motor zu entfernen, wobei das Abgas zu dem Absorptionskühlsystem geleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems nach Anspruch 16, ferner aufweisend das Umleiten eines Teils des Abgases weg von dem Absorptionskühlsystem, um ein Überhitzen des Absorptionskühlsystems zu vermeiden.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Maschinensystems nach Anspruch 15, ferner aufweisend das Umwälzen eines Motorkühlfluids durch den Motor und Verwenden von Wärme, die von dem Motorkühlfluid absorbiert wurde, um das Arbeitsfluid zum Betreiben des Absorptionskühlsystems zu erwärmen.