DE60216049T2

DE60216049T2 - Vorrichtung, system und verfahren zum kühlen eines kühlmittels

Info

Publication number: DE60216049T2
Application number: DE60216049T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Vidal; Robert Yu
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2002-01-04
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2022-01-05
Also published as: EP1362168B1; DE60216049D1; EP1362168A1; WO2002079621A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb.
Fahrzeuge mit Hybridantrieb umfassen im Allgemeinen eine Wärmekraftmaschine, einen oder zwei Elektromotoren, einen Spannungsgenerator und eine elektronische Leistungswandlereinheit, die entweder den bzw. die Elektromotoren versorgt oder die Batterien lädt, wobei alle einer Kühlung bedürfen, um unter den Bedingungen, für die sie vorgesehen sind, betrieben werden zu können. Es wird versucht, diese doppelte Motorisierung dazu zu nutzen, den Verbrauch und die Schadstoffemissionen so zu minimieren, dass die zugelassenen Grenzen nicht überschritten werden.
Es wurde festgestellt, dass die Durchfluss- und Temperaturbereiche der Kühlflüssigkeit in einem Elektromotor und in einer Wärmekraftmaschine sehr unterschiedlich sind. Bei einer Temperatur von 50 bis 70° hat die Kühlflüssigkeit eines Elektromotors eine Durchflussrate von 100 bis 500 l/h. Bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis höchstens 110° hat die Kühlflüssigkeit einer Wärmekraftmaschine eine bis zu zwanzig Mal höhere Durchflussrate. Diese Unterschiede in der Durchflussrate und der Temperatur erschweren die Verwendung eines einzigen Kreislaufs und eines einzigen Kühlers für einen Betrieb unter optimalen Bedingungen in allen Situationen, in denen sich ein Fahrzeug mit Hybridantrieb befinden kann.
Die FR 2 748 428 (RENAULT) beschreibt ein Kühlsystem für ein eine Wärmekraftmaschine und einen Elektromotor umfassendes Fahrzeug mit Hybridantrieb, umfassend eine in den Motoren und einem Kühler strömende Kühlflüssigkeit und Mittel, die dafür sorgen, dass, im Stillstand der Wärmekraftmaschine und im Betrieb des Elektromotors, die Kühlflüssigkeit lediglich in einem ersten Teil des Kühlers umläuft, und dass, im Betrieb beider Motoren, die Kühlflüssigkeit in beiden Teilen des Kühlers umläuft.
Im Betrieb beider Motoren jedoch strömt durch den Elektromotor eine eine relativ hohe Temperatur aufweisende Kühlflüssigkeit.
Die japanische Zusammenfassung 10 266 855 (TOYOTA) beschreibt ein Kühlsystem, umfassend einen Kühler, einen Ausgleichbehälter, die beide gleichermaßen einem der Wärmekraftmaschine zugeordneten Kreislauf und einem dem Elektromotor zugeordneten Kreislauf zugeordnet sind. Der Kühler umfasst zwei Eingänge und zwei Ausgänge, die mit zwei Wasserkästen verbunden sind, von denen der eine durch eine Trennwand geteilt wird. Der andere Wasserkasten hat keine Trennwand und die beiden Kreisläufe stehen über diesen in Verbindung miteinander. Im Betrieb kommt es praktisch kaum zu einer Vermischung des Wassers aus den beiden Kreisläufen.
Die von dem Elektromotor abgegebene Wärme kann jedoch nicht dazu verwendet werden, die Wärmekraftmaschine zu wärmen bzw. vorzuwärmen oder die Fahrgastzelle des Fahrzeuges zu heizen bzw. vorzuheizen. Die Pumpe des Elektromotorkreislaufs ist solange im Betrieb, wie der Elektromotor läuft, was die Lebensdauer dieser Pumpe verringert. Im Stillstand des Elektromotors ist der ihm zugeordnete Kühler nutzlos und dient nicht dazu, die Wärmekraftmaschine zu kühlen und umgekehrt ist im Stillstand der Wärmekraftmaschine der ihr zugeordnete Kühler nutzlos und dient nicht dazu, den Elektromotor zu kühlen.
Die Veröffentlichung DE 196 817 beschreibt eine Kühlvorrichtung eines Kühlmittels durch Wärmetausch mit einem anderen Medium, welche einen Eingang und einen Hauptausgang für das Kühlmittel sowie einen Hilfsausgang aufweist, wobei das Kühlmittel, das aus dem Hilfsausgang strömt, eine geringere Temperatur als das Kühlmittel aus dem Hauptausgang aufweist.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Grenzen, die durch die herkömmlichen Techniken gesetzt sind, aufzuheben und eine Vorrichtung und ein Kühlsystem vorzuschlagen, das optimal unter allen Umständen betrieben werden kann und mit dem der Energieverbrauch und die Schadstoffemissionen reduziert werden können.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Betriebsdauer einer Kühlmittelumlaufpumpe in dem Elektromotor zu verringern.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, den Elektromotor auf einer geringen Temperatur zu halten.
Zu diesem Zweck schlägt sie ein Kühlsystem für ein eine Wärmekraftmaschine und mindestens einen Elektromotor umfassendes Fahrzeug mit Hybridantrieb vor. Das System umfasst ein Kühlmittel zum Kühlen der Wärmekraftmaschine und des Elektromotors, einen mehrere Kühlkanäle umfassenden Kühler zum Kühlen des Kühlmittels durch Wärmeaustausch mit einem Luftstrom, einen Eingang und einen Ausgang, eine erste Leitung zwischen dem Ausgang des Kühlers und der Wärmekraftmaschine und eine zweite Leitung zwischen der Wärmekraftmaschine und dem Eingang des Kühlers. Der Kühler umfasst einen Hilfsausgang derart, dass das aus dem Hilfsausgang strömende Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die geringer ist, als die des mit der ersten Leitung verbundenen Hauptausgangs, wobei der Hilfsausgang mit einer Abzweigleitung zum Kühlen des Elektromotors verbunden ist.
Vorzugsweise umfasst die Abzweigleitung einen mit dem Hilfsausgang verbundenen ersten Zweig und einen mit einer stromaufwärts der Wärmekraftmaschine gelegenen Leitung verbundenen zweiten Zweig.
Vorzugsweise ist der erste Zweig mit der ersten Leitung verbindbar.
Der erste Zweig kann über den Elektromotor und eine elektronische Leistungseinheit des Elektromotors geführt werden.
Der erste Zweig kann mit einer Kühlmittelumlaufpumpe ausgestattet sein.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der zweite Zweig mit einer Ausgangsleitung einer Heizung einer Fahrgastzelle eines Fahrzeuges verbunden.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Abzweigleitung einen mit der zweiten Leitung verbundenen dritten Zweig.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Abzweigleitung einen vierten Zweig, der mit dem Ausgang der Wärmekraftmaschine stromaufwärts eines Thermostats verbunden ist.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Zweige der Abzweigleitung untereinander mit einem Mehrwegeventil verbunden. Ein Thermostat kann in dem Mehrwegeventil integriert sein. Das Mehrwegeventil kann ein drehbares Steuerungselement umfassen.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Kühlmittelumlaufpumpe von dem Elektromotor angetrieben.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Kühlmittelumlaufpumpe unabhängig vom Elektromotor angetrieben.
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das System ein Thermostat, das an der ersten Leitung angeordnet ist, wobei das Thermostat die erste Leitung abdichten kann, wobei eine mit dem Elektromotor verbundene Leitung mit der Wärmekraftmaschine in Verbindung stehen kann.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das System ein erstes Ventil, über welches der Ausgang des Elektromotors mindestens mit der Wärmekraftmaschine in Verbindung bringbar ist.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das erste Ventil ein Mehrwegeventil, über welches der Ausgang des Elektromotors mit der Wärmekraftmaschine bzw. mit der zweiten Leitung in Verbindung bringbar ist.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das System ein zweites Ventil, über welches der Hilfsausgang mindestens mit dem Elektromotor in Verbindung bringbar ist.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das zweite Ventil ein Mehrwegeventil, über welches der Hilfsausgang mit dem Elektromotor bzw. mit der Wärmekraftmaschine in Verbindung bringbar ist.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Elektromotor an einer Abzweigleitung parallel zur Wärmekraftmaschine montiert.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Hilfsausgang mit einer Abzweigleitung verbunden, über welche eine elektronische Steuerungseinheit kühlbar ist.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Fahrzeug, welches ein Kühlsystem, wie oben beschrieben, umfasst.
Die Erfindung schlägt auch ein Kühlverfahren für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb vor, umfassend eine Wärme kraftmaschine und mindestens einen Elektromotor, die durch Umlauf eines Kühlmittels in den Motoren gekühlt werden, ein Wärmeaustauschmittel zur Kühlung des Kühlmittels durch Wärmeaustausch mit einem anderen Medium und versehen mit einem Eingang und einem Ausgang, bei welchem Verfahren der Kühlmittelstrom sich im Wärmeaustauschmittel zwischen einem Hauptausgang und einem Hilfsausgang derart verteilt, dass das aus dem Hilfsausgang strömende Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die geringer ist als die des Haupteingangs, wobei der Hilfsausgang mit einer Abzweigleitung verbunden ist, über welche der Elektromotor kühlbar ist.
Die Kühlung kann in Reihe erfolgen, wobei das in der Abzweigleitung geführte Kühlmittel anschließend in die Wärmekraftmaschine geführt wird, was vorzuziehen ist, wenn die Temperatur am Ausgang des Wärmetauschmittels hoch ist.
Vorteilhafterweise wird die Durchflussrate des Kühlmittels in der Abzweigleitung in Abhängigkeit der Temperatur am Ausgang des Wärmetauschmittels variiert.
Falls die Temperatur des Kühlmittels nicht ausreicht, um die Öffnung eines am Ausgang der Wärmekraftmaschine angeordneten Thermostats zu bewirken, wird nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform das Kühlmittel in die dritterseits mit dem Eingang des Wärmetauschmittels verbundene Abzweigleitung geleitet, um den Elektromotor zu kühlen, wenn das Kühlmittel nicht in der Wärmekraftmaschine umläuft. Diese Betriebsart kann auch bei Stillstand der Wärmekraftmaschine gewählt werden.
Falls die Temperatur des Kühlmittels deutlich geringer ist als die die Öffnung eines am Ausgang der Wärmekraftmaschine angeordneten Thermostats bewirkende Temperatur, wird nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform das Kühlmittel in die viertenteils mit dem Ausgang der Wärmekraftmaschine stromaufwärts des Ther mostats verbundene Abzweigleitung geleitet, um den Elektromotor zu kühlen und dabei gleichzeitig die Wärmekraftmaschine zu erwärmen. So kann ein schnellerer Temperaturanstieg in der Wärmekraftmaschine beim Start erzielt und die Entstehung von Schadstoffen reduziert werden.
Diese Betriebsart kann auch im Stillstand der Wärmekraftmaschine gewählt werden, wenn die der Wärmekraftmaschine zugeordnete Pumpe elektrisch angetrieben wird, bzw. wenn diese Pumpe umgangen werden kann. So kann die Wärmekraftmaschine vorgewärmt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung einiger nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kühlsystems nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 eine schematische Ansicht eines Kühlers;
3 bis 8 und 10 bis 16 schematische Ansichten eines Kühlsystems nach weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
9 eine schematische Ansicht eines weiteren Kühlers; und
17 eine schematische Ansicht eines Ventils.
Zur Vereinfachung der Beschreibung bezeichnet der Begriff „Elektromotor" alle Maschinen, die elektrische Energie in mechanische Energie, bzw. mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, und der Begriff „Leistungselektronik" alle Elektronikeinheiten, die Wechselstrom in Gleichstrom, Gleichstrom in Wechselstrom, Hochspannungsstrom in Niederspannungsstrom oder aber Niederspannungsstrom in Hochspannungsstrom umwandeln.
Wie in 1 zu sehen ist, ist das Kühlsystem einer Wärmekraftmaschine 1 und einem mit einer elektronischen Leistungseinheit 3 versehenen Elektromotor 2 zugeordnet. Ebenfalls vorgesehen sind eine Heizung 4 zum Heizen der Fahrgastzelle des Fahrzeuges, in der das Kühlsystem montiert ist, sowie ein Wärmetauscher 5 zum Kühlen eines beliebigen Mediums, beispielsweise von Schmieröl, Getriebeöl,... oder einer beliebigen Organs, beispielsweise eines Lagers eines Turbokompressors,... .
Das Kühlsystem umfasst einen Kühler 6, dessen Hauptausgang 6a mit einer Leitung 7 und dessen Eingang mit einer Leitung 8 verbunden ist. Die Leitung 7 ist mit einer Pumpe 9 verbunden, deren Ausgang mit der Wärmekraftmaschine 1 verbunden ist. Die Pumpe 9 kann von der Wärmekraftmaschine 1 oder von einem ihr zugeordneten und nicht dargestellten Elektromotor angetrieben werden. Der Ausgang der Maschine 1 ist mit einem Thermostat 10 versehen, welcher wiederum mit der Leitung 8 verbunden ist. Der Kühler 6 ist im Allgemeinen mit einem motorbetriebenen Lüfter 11 versehen, mit dem der Luftstrom durch den Kühler 6 beschleunigt werden kann.
Das Kühlsystem umfasst einen am Ausgang der Maschine 1, direkt stromaufwärts des Thermostats 10 angeordneten Temperaturfühler 12, einen an der Leitung 7 am Ausgang des Kühlers 6 montierten Temperaturfühler 13 und eine Steuerungseinheit 14 zur Aufnahme der von den Fühlern 12 und 13 stammenden Temperaturdaten. Die Verbindung zwischen der Steuerungseinheit 14 und den Fühlern 12 und 13 kann über zugeordnete elektrische Drähte oder über einen Kommunikationsbus erfolgen.
Der Eingang der Heizung 4 ist mit einem Ausgang der Wärmekraftmaschine 1 und der Ausgang des Kühlers 4 mit der Leitung 7 verbunden. Desgleichen ist der Eingang des Wärmetauschers 5 mit einem Ausgang der Wärmekraftmaschine 1 und sein Ausgang mit der Leitung 7 verbun den.
Das Kühlsystem umfasst außerdem eine insgesamt mit 15 bezeichnete, mit mehreren Zweigen versehene Abzweigleitung und ein Mehrwegeventil 16, mit dem die Zweige verbunden sind.
Im Einzelnen ist ein erster Zweig 17 einerseits mit einem Hilfsausgang 6b des Kühlers 6 und andererseits mit dem Mehrwegeventil 16 verbunden. Der Zweig 17 führt über den Elektromotor 2 und über die Leistungseinheit 3. Durch den Umlauf des Kühlmittels in dem Zweig 17 können der Elektromotor 2 und die Leistungseinheit 3 auf einer normalen Betriebstemperatur gehalten werden, die möglichst gering sein sollte, so dass üblich, sowohl elektrische als auch elektronische, industriell gefertigte Bauteile beim Bau dieser Elemente verwendet werden können.
Außerdem ist eine elektrische Pumpe 21 vorgesehen, die am Zweig 17 angeordnet ist, von der Steuerungseinheit 14 gesteuert wird und das Kühlmittel in dem Zweig 17 in Umlauf bringt. Ein zweiter Zweig 18 ist an einem Ende mit der ersten Leitung 7 in der Nähe der Pumpe 9 und an dem gegenüber liegenden Ende mit dem Mehrwegeventil 16 verbunden.
Ein dritter Zweig 19 ist einerseits mit der Leitung 8 und andererseits mit dem Mehrwegeventil 16 verbunden. Ein vierter Zweig 20 ist einerseits mit einem Ausgang der Wärmekraftmaschine 1 stromaufwärts des Thermostats 10 und andererseits mit dem Mehrwegeventil 16 verbunden. Das Mehrwegeventil 16 dient zur Herstellung einer Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 durch Verschließen der Zweige 19 und 20, einer Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 19 durch Verschließen der anderen Zweige und einer Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 20 durch Verschließen der anderen Zweige, wobei diese Vorgänge durch die mit diesem verbundene Steuerungseinheit 14 gesteuert werden.
Anders ausgedrückt hat das Mehrwegeventil 16 die Aufgabe, das Kühlmittel gezielt zwischen dem Zweig 17 und einem der drei anderen Zweige 18, 19 bzw. 20 strömen zu lassen.
Zudem umfasst die Abzweigleitung 15 einen fünften Zweig 22 und ein Dreiwegeventil 23. Das Ventil 23 ist am Zweig 17 in der Nähe des Ausgangs 6b des Kühlers 6, anders ausgedrückt zwischen dem Ausgang 6b und der Pumpe 21, montiert. Der fünfte Zweig 22 ist einerseits mit dem Ventil 23 und andererseits mit der Leitung 7 stromabwärts des Temperaturfühlers 13 verbunden.
Der Aufbau des Kühlers 6 ist in 2 näher dargestellt. Der Kühler 6 umfasst mehrere parallele Rohre und zwei Wasserkästen 24 und 25, in die die Enden der Rohre münden. Der Wasserkasten 24 ist durch eine eine dichte Abtrennung bildende Trennwand 26 in einen stromaufwärts gelegenen Bereich 24a und einen stromabwärts gelegenen Bereich 24b geteilt. Der stromaufwärts gelegene Bereich 24a ist mit einem Eingang 27 des Kühlers 6 verbunden. Der stromabwärts gelegene Bereich 24b ist mit dem Hauptausgang 6a verbunden.
Der Wasserkasten 25 ist durch eine eine dichte Abtrennung bildende Trennwand 28 in einen stromaufwärts gelegenen Bereich 25a und in einen stromabwärts gelegenen Bereich 25b geteilt. Der stromaufwärts gelegene Bereich 25a stellt die Verbindung zwischen Rohren, die mit dem stromaufwärts gelegenen Bereich 24a verbunden sind, und Rohren, die mit dem stromabwärts gelegenen Bereich 24b verbunden sind, her. Der Kühler 6 hat einen so genannten U-förmigen Umlauf, wobei der stromaufwärts gelegene Bereich 25a den Steg des U bildet. Der stromabwärts gelegene Bereich 25b ist mit dem Hilfsausgang 6b verbunden. Der stromabwärts gelegene Bereich 24b stellt die Verbindung zwischen Rohren, die mit dem stromaufwärts gelegenen Bereich 25a verbunden sind, und Rohren, die mit dem stromabwärts gelegenen Bereich 25b verbunden sind, her.
Beim Durchströmen des Kühlers 6 durchläuft das Kühlmittel eine erste Strecke von dem stromaufwärts gelegenen Bereich 24a des Wasserkastens 24 in den stromaufwärts gelegenen Bereich 25a des Wasserkastens 25, dann eine zweite Strecke von dem stromaufwärts gelegenen Bereich 25a des Wasserkastens 25 in den stromabwärts gelegenen Bereich 24b des Wasserkastens 24 und teilt sich in zwei- Teilströme, von denen der eine aus dem Hauptausgang 6a strömt, während der andere eine dritte Strecke durchläuft, und zwar diesmal von dem stromabwärts gelegenen Bereich 24b des Wasserkastens 24 in den stromabwärts gelegenen Bereich 25b des Wasserkastens 25. Der besagte andere Teilstrom nutzt den längeren Wärmeaustausch und weist am Ausgang des Kühlers 6 eine Temperatur auf, die geringer ist als die des Teilstroms, der durch den Hauptausgang 6a strömt. In manchen Fällen kann einer der Teilströme gleich Null sein. Somit ist es also möglich, den Elektromotor 2 und die Leistungseinheit 3 auf einer niedrigen Temperatur zu halten, so dass industriell seriengefertigte Bauteile kostengünstig eingesetzt werden können.
Im Folgenden wird nun die Funktionsweise des Kühlsystems beschrieben.
1) Im Betrieb der Wärmekraftmaschine 1.
Liegt die von dem Fühler 12 gemessene Wassertemperatur unterhalb einer vorbestimmten Temperatur T_c1, die kleiner oder gleich der die Öffnung des Thermostats 10 bewirkenden Temperatur T_ot ist, die im Allgemeinen zwischen 83 und 89 °C beträgt, so stellt das Mehrwegeventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 20 her und ermöglicht das Strömen des Mittels vom Zweig 20 zum Zweig 17. Die Pumpe 21 steht still. Das in der Wärmekraftmaschine befindliche Kühlmittel ist aufgrund der Pumpe 9 mit einem hohen Druck beaufschlagt, der höher ist als der Druck, der in dem Zweig 17 herrscht. Das Ventil 23 stellt eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 22 her und ermöglicht das Strömen des Mittels vom Zweig 17 zum Zweig 22. Das Ventil 23 verschließt den Ausgang 6b.
In diesem Zustand, d.h. im Startbetrieb bzw. bei sehr niedriger Last der Wärmekraftmaschine 1, verbraucht die stillstehende Pumpe 21 keinerlei Energie. Durch die durch den Betrieb des Elektromotors 2 und der Leistungseinheit 3 abgegebene Wärme kann die Temperatur der Wärmekraftmaschine 1 erhöht und somit die Dauer des Temperaturanstiegs derselben reduziert werden, wodurch die Menge der durch die Verbrennung der Wärmekraftmaschine 1 erzeugten Schadstoffe verringert wird. Durch den Stillstand der Pumpe 21 wird deren Betriebsdauer reduziert, so dass sie insgesamt über eine längere Lebensdauer verfügt.
Zeigt der Fühler 12 eine Wassertemperatur an, die größer oder gleich der Temperatur T_c1 aber kleiner als die die Öffnung des Thermostats 10 bewirkenden Temperatur T_ot ist, so stellt das Mehrwegeventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 19 her. Die Pumpe 21 wird bei geringer Geschwindigkeit in Betrieb gesetzt, beispielsweise mit einer geringen Versorgungsspannung U₁. Das Ventil 16 bleibt so geöffnet wie zuvor oder aber es verschließt den Zweig 22 und öffnet den Ausgang 6b. Der Elektromotor 2 und seine Leistungseinheit 3 werden dann mittels des Kühlers 6, dessen Wärmetauschkapazität weit höher, beispielsweise um einen Faktor von etwa 3 bis 5 höher ist als die von dem Elektromotor 2 und seiner Leistungseinheit 3 möglicherweise abgegebene Wärme, gekühlt. Da die Leitung 8, der Kühler 6 und die Leitung 7 mit Blick auf die für die Wärmekraftmaschine 1 erforderlichen hohen Kühlmitteldurchflussraten bemessen wurden, sind die Ladeverluste gering. Somit ist auch der Energieverbrauch der Pumpe 21 gering. Das gleiche gilt für deren Verschleiß.
Zeigt der Fühler 12 eine Wassertemperatur an, die größer oder gleich der Temperatur T_ot ist, so stellt das Mehrwegeventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 her. Die Pumpe 21 wird in Betrieb gesetzt. Das Ventil 23 verschließt den Zweig 22 und öffnet den Ausgang 6b.
Anders ausgedrückt strömt die Fördermenge am Ausgang 6b des Kühlers 6 durch die Zweige 17 und 18. Der Elektromotor 2 und seine Leistungseinheit 3 werden von eine geringe Temperatur aufweisendem Kühlmittel gekühlt.
Zudem kann vorgesehen sein, dass, wenn der Temperaturfühler 13 am Ausgang des Kühlers 6 eine Kühlmitteltemperatur anzeigt, die unterhalb einer vorbestimmten Temperatur T_c2 liegt, die Pumpe 21 mit einer geringen Leistung arbeitet, beispielsweise mit der geringen Versorgungsspannung U₁ und dass hingegen, wenn der Fühler 13 eine Temperatur anzeigt, die höher ist als die Temperatur T_c2, die Pumpe 21 mit einer hohen Leistung arbeitet, indem sie beispielsweise mit einer Spannung U₂ versorgt wird, die höher ist als U₁, um so eine höhere Leistung in dem Zweig 17 zu erzielen. Es versteht sich, das T_c2 höher als T_ot ist .
Es versteht sich, dass die Steuerungseinheit 14 des Kühlsystems den Betrieb des Lüfters 11 in Abhängigkeit von der von dem Fühler 13 gemessenen Temperatur steuern kann.
2) Stillstand der Wärmekraftmaschine, Fahrzeug rein elektrisch betrieben.
Ist die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur geringer als die Temperatur T_c1, so stellt das Mehrwegeventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 20 her und ermöglicht das Strömen des Mittels vom Zweig 17 zum Zweig 20. Das Ventil 23 stellt eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 22 her und ermöglicht das Strömen des Mittels von dem Zweig 22 zum Zweig 17. Das Ventil 23 verschließt den Ausgang 6b. Die Pumpe 21 wird mit geringer Leistung in Betrieb gesetzt, indem sie beispielsweise mit der Spannung U₁ versorgt wird. So kann die Wärmekraftmaschine 1 gewärmt und bei Bedarf die Fahrgastzelle durch die Heizung 4 beheizt werden.
Ist die von dem Fühler 12 gemessene Wassertemperatur höher als die Temperatur T_c1, so stellt das Mehrwegeventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 19 her und ermöglicht das Strömen des Mittels vom Zweig 17 zum Zweig 19. Das Ventil 23 verschließt den Zweig 22 und öffnet den Ausgang 6b. Die Pumpe 21 wird mit geringer Leistung in Betrieb gesetzt, indem sie beispielsweise mit der Spannung U₁ versorgt wird. Durch diese Betriebsart kann eine ausgezeichnete Kühlung des Elektromotors 2 und der Leistungseinheit 3 erzielt werden, da das Kühlmittel durch den gesamten Kühler 6 strömt (drei Strecken).
Es kann auch eine Zwischenkühlleistung erzielt werden, indem das Wasser anhand des die Zweige 17 und 18 in Verbindung bringenden Mehrwegeventils 16 lediglich die dritte Strecke des Kühlers 6 durchläuft. Diese zwischenliegende Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, um die möglicherweise auftretende Schwankung der Wassertemperatur beim Übergang von der durch den Temperaturanstieg und das Heizen gekennzeichneten Phase in die Phase der Superkühlung, wie sie weiter oben beschrieben wurden, zu reduzieren.
Zeigt der Fühler 13 eine Temperatur an, die höher ist als die Temperatur T_c2, so wird der Lüfter 11 in Betrieb gesetzt, wobei dies jedoch nicht häufig vorkommen wird, so dass die Betriebsdauer des Lüfters 11 sowie der Energieverbrauch reduziert werden.
3) Stillstand des Elektromotors 2, wobei eine Kühlung der elektronischen Bauteile nicht erforderlich ist.
Die Pumpe 21 kann in Gang gesetzt werden, um Kühlmittel durch die dritte Strecke zu fördern und somit eine zusätzliche Kühlung der Wärmekraftmaschine sicherzustellen. Das Ventil 16 stellt eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 her. Das Ventil 23 stellt eine Verbindung zwischen dem Zweig 17 und dem Ausgang 6b her und dichtet den Zweig 22 ab.
In einer Variante kann vorgesehen sein, die Pumpe 21 im Stillstand zu halten und eine Verbindung zwischen dem Zweig 22 und dem Ausgang 6b herzustellen und dabei gleichzeitig den Zweig 17 mittels des Ventils 16 abzudichten.
So bleibt die Temperatur des Wassers am Eingang des Elektromotors 2 und der elektronischen Leistungseinheit 3 in allen Betriebszuständen sehr niedrig. In den Fällen, in denen die von dem Fühler 13 gemessene Temperatur höher als T_c2 ist, kann über eine Erhöhung der Leistung der Pumpe 21 und/oder über das Einschalten des Lüfters 11 diese Temperatur in den gewünschten Grenzen gehalten werden.
Dank der Erfindung benötigt die Pumpe 21 eine geringe Leistung, sie wird mit geringerer Geschwindigkeit und seltener betrieben. In einem Fall ist die Pumpe 21 im Stillstand. In zwei weiteren Fällen, in denen das Thermostat geschlossen ist, ist die Wärmetauschkapazität des Kühlers 6, die für die Wärmeverluste der Wärmekraftmaschine 1 ausgelegt ist, im Verhältnis zu den Wärmeverlusten des Elektromotors 2 und der elektronischen Leistungseinheit 3 weit überschüssig, so dass die Pumpe 21 mit geringer Leistung betrieben werden kann. Schließlich sind die Zweige 17, 18 und 19 an Leitungen 7 und 8 mit einem großen Durchmesser angeschlossen, wodurch der Ladeverlust, dem das durch die Pumpe 21 geförderte Mittel ausgesetzt ist, minimiert wird.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass die Pumpe 21 von einem unabhängigen Elektromotor angetrieben wird. Denkbar ist auch, dass die Pumpe 21 von dem elektrischen Antriebsmotor 2 angetrieben wird. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Kosten und die Lebensdauer des Systems aus. Eine herkömmliche elektrische Pumpe wird nämlich im Allgemeinen mit Gleichstrom betrieben. Im Vergleich zu einer mechanischen Pumpe ist der Elektromotor der Hauptkostenfaktor einer elektrischen Pumpe, wobei dieser im Allgemeinen eine deutlich geringere Lebensdauer aufweist, als die mechanische Pumpe. In diesem Fall ist die Funktionsweise des Systems die folgende.
Ist die von dem Fühler 12 gemessene Wassertemperatur geringer als die die Öffnung des Thermostats bewirkende Temperatur T_ot, so wird eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 19 hergestellt. Ist die von dem Fühler 12 gemessene Wassertemperatur größer oder gleich der Temperatur T_ot und wird das Fahrzeug bei Stillstand der Wärmekraftmaschine 1 elektrisch angetrieben, so bleiben die Zweige 17 und 19 strömungsverbunden. Sobald die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur des Kühlmittels größer oder gleich der Temperatur T_ot ist, und ist die Wärmekraftmaschine im Betrieb, so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 her. Misst der Fühler 13 zudem eine Temperatur, die höher als die vorbestimmte Temperatur T_c2 ist, so wird der Lüfter 11 betätigt, insbesondere dann, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs gering ist, beispielsweise unterhalb eines Werts im Bereich zwischen 60 und 80 km/h liegt.
3 stellt eine Variante dar, in der der Elektromotor 2 und die elektronische Leistungseinheit 3 parallel gekühlt werden, wobei der Zweig 17 sich in einen durch den Elektromotor 2 führenden Teilzweig 17a und in einen durch die elektronische Leistungseinheit 3 führenden Teilzweig 17b teilt.
4 stellt eine Variante dar, in der das Ventil 23 und der Zweig 22 weggelassen wurden. Der Zweig 17 bleibt ständig mit dem Ausgang 6b verbunden. Diese kostengünstige Variante ist vorteilhaft, wenn das Wärmen der Wärmekraftmaschine 1 nicht vorrangig ist.
5 stellt eine der vorherigen Variante sehr ähnliche Variante dar, nur dass hier der Zweig 20 weggelassen wurde. Das Ventil 16 ist ein Dreiwegeventil. Diese kostengünstige Variante ist vorteilhaft, wenn das Wärmen der Wärmekraftmaschine 1 nicht vorrangig ist und wenn die Lebensdauer der Pumpe 21 nicht kritisch ist, beispielsweise wenn die Pumpe 21 von dem Elektromotor 2 angetrieben wird.
6 stellt eine der Variante in 1 ähnliche Variante dar. Der Kühler 6 weist zwei Strecken und einen Wasserkasten 24 auf, welcher keine Trennwand besitzt. Das Kühlmittel wird direkt vom Eingang 27 zum Ausgang 6a geleitet.
7 stellt eine der Variante in 5 ähnliche Variante dar, nur dass hier der Zweig 19 und das Ventil 16 weggelassen wurden. Wird das Thermostat 10 bei laufender Pumpe 21 in bestimmten Betriebszuständen der Wärmekraftmaschine 1 geschlossen, so kann aus der Heizung 4 und dem Wärmetauscher 5 strömendes Kühlmittel durch den Ausgang 6a des Kühlers 6 einströmen, eine Strecke durchlaufen, und über den Ausgang 6b ausströmen. Das aus dem Zweig 18 kommende Kühlmittel kann über die Pumpe 9 und die Wärmekraftmaschine 1 geleitet werden.
8 stellt eine der Variante in 7 ähnliche Variante dar, nur dass hier der Zweig 18 in größerer Nähe zum Ausgang 6a, anders ausgedrückt zwischen dem Fühler 13 und der Abzweigung zum Wärmetauscher 5, mit der Leitung 7 verbunden ist.
9 stellt eine Kühlervariante dar, die ähnlich der in 2 ist, nur dass hier der Wasserkasten 24 durch Trennwände 26 und 29 in drei Bereiche, einen stromaufwärts gelegenen Bereich 24a, einen mittleren Bereich 24b und einen stromabwärts gelegenen Bereich 24c unterteilt ist. Der stromabwärts gelegene Bereich 24c ist mit dem Hilfsausgang 6b verbunden. Der stromabwärts gelegene Bereich 25b des Wasserkastens 25 stellt eine Verbindung zwischen Rohren, die mit dem mittleren Bereich 24b verbunden sind, und Rohren, die mit dem stromabwärts gelegenen Bereich 24c verbunden sind, her. Der Kühler 6 hat vier Strecken mit einem Umlauf in Form eines doppelten U. Die am Hilfsausgang 6b erzielte Temperatur ist noch geringer.
Der Hauptausgang 6a kann für einen üblichen Betrieb bei etwa 90 bis 105 °C, der für die Wärmekraftmaschine gewünschte Temperatur, vorgesehen sein, ohne dass die Gefahr eines durch eine zu geringe Temperatur hervorgerufenen übermäßigen Kraftstoffverbrauchs besteht. Der Nebenausgang 6b kann vorgesehen sein für einen üblichen Betrieb bei einer deutlich geringeren Temperatur, so dass eine gute Leistung des Elektromotors und der elektronischen Leistungseinheit erzielt und diese aus kostengünstigen standardmäßigen Bauteilen hergestellt werden können.
10 stellt eine weitere Ausführungsform dar, in der das Thermostat 10 an einer Leitung 7 stromaufwärts der Pumpe 9 angeordnet ist, wobei die Pumpe wiederum direkt stromaufwärts des Motors 1 montiert ist. Die Abzweigleitung 15 umfasst einen Zweig 17, der über den Elektromotor 2, die Steuerungseinheit 3 und die elektrische Pumpe 21 geführt ist. Ein Temperaturfühler 30 ist zwischen der elektrischen Pumpe 21 und die Steuerungs einheit 3 montiert. Stromaufwärts der elektrischen Pumpe 21 ist der Zweig 17 mit einem Dreiwegeventil 23 verbunden, das ebenfalls mit dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und mit einer Leitung 31 verbunden ist. Die Leitung 31 führt zu dem aus dem Dreiwegeventil 16 kommenden Zweig 18. Der Zweig 18 mündet in eine Leitung 32, die über die Heizung 4 führt, welche mit einem Ende an der Leitung 8 und mit einem anderen Ende an einem stromabwärts gelegenen Bereich des Thermostats 10 angeschlossen ist. Ein Temperaturfühler 12 ist dem Thermostat 10 zugeordnet. Das Thermostat 10 dient der Abdichtung der Leitung 7, während die Leitung 32 in freier Verbindung mit der Pumpe 9 und dem Motor 1 steht.
Die Pumpe 21 und die Ventile 16 und 23 werden von der in der Fig. nicht dargestellten Steuerungseinheit gesteuert. Das Dreiwegeventil 16 verbindet den Zweig 17 mit dem Zweig 18 bzw. mit dem Zweig 19. Das Dreiwegeventil 23 verbindet den Zweig 17 mit dem Ausgang 6b des Kühlers 6 bzw. mit der Leitung 31.
Es sind zwei Solltemperaturen TC1 und TC2 vorgesehen, die in Echtzeit mit der von dem Fühler 30 erfassten Temperatur verglichen werden. Diese Schwellwerte werden von der Temperatur bestimmt, die für die Steuerungseinheit 3 des Elektromotors 2 erträglich ist. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass TC1 = 60 °C und dass TC2 = 70 °C.
Im thermisch betriebenen Modus ist die Wärmekraftmaschine 1 im Betrieb und treibt die Pumpe 9 an. Das Ventil 16 stellt eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 her. Das Ventil 23 stellt eine Verbindung zwischen dem Zweig 17 und der Leitung 31 her.
Im elektrisch betriebenen Modus steht die mechanische Pumpe 9 still. Die elektrische Pumpe 21 ist im Betrieb. Ist die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur geringer als TC1, so zum Beispiel bei einem Kaltstart, so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 19 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen dem Zweig 17 und der Leitung 31 her. So kann der Heizung 4 Wärme zugeführt und/oder die Wärmekraftmaschine 1 vorgewärmt werden, um die Schadstoffemissionen bei einem späteren Start zu reduzieren. Der Anstieg der Wassertemperatur ist wirksam, denn das Kreislaufwasser strömt nicht in den Kühler 6.
Liegt die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur zwischen TC1 und TC2, so ist vorgesehen, die elektrischen Antriebsorgane zu kühlen und die thermischen Antriebsorgane zu wärmen. Das Ventil 16 stellt dann eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und dem Zweig 17 her. Somit wird stets ein Durchfluss in der Heizung 4 und in der Wärmekraftmaschine 1 bei gleichzeitiger Kühlung der elektrischen Bauteile durch Durchströmen des Kühlers 6 gewährleistet.
Ist die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur höher als TC2, so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen dem Zweig 17 und dem Zweig 19 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und dem Zweig 17 her. So erzielt man vorteilhaft die von dem gesamten, für die Wärmeabfuhr der Antriebsgruppe bestehend aus Wärmekraftmaschine 1 und Elektromotor 2 bemessenen Kühler geleistete Kühlung.
Im hybrid betriebenen Modus sind sowohl die Wärmekraftmaschine 1 als auch der Elektromotor 2 im Betrieb.
Ist die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur geringer als TC1 und die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur geringer als die die Öffnung des Thermostats 10 bewirkende Temperatur, so werden die Steuerungseinheit 3 und der Elektromotor 2 ohne Inbetriebnahme der Pumpe 21 gekühlt. Das Ventil 16 stellt eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 19 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen dem Zweig 17 und der Leitung 31 her. So wird die Betriebsdauer der elektrischen Pumpe reduziert. Bei einem Kaltstart im hybrid betriebenen Modus wird die Wärmeabfuhr der elektrischen Organe genutzt, um einen schnellen Anstieg der Temperatur der Wärmekraftmaschine 1 zu gewährleisten. Dies ermöglicht eine Reduzierung dieser Schadstoffemissionen beim Start.
Liegt die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur zwischen TC1 und TC2 und ist die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur geringer als die die Öffnung des Thermostats bewirkende Temperatur, so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und dem Zweig 17 her. Die elektrische Pumpe 21 steht still. So wird eine gute Kühlung der elektronischen Leistungsbauteile der Einheit 3 dadurch erzielt, dass die Kühlflüssigkeit im gesamten Kühler 6 umläuft.
Ist die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur höher als TC2 und die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur geringer als die die Öffnung des Thermostats bewirkende Temperatur, so wird die elektrische Pumpe 21 in Gang gesetzt. Da das Thermostat 10 geschlossen ist, wird der gesamte Kühler 6 genutzt, um die Organe des elektrischen Antriebs zu kühlen. Das Ventil 23 stellt eine Verbindung zwischen dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und dem Zweig 17 her. Das Ventil 16 stellt eine Verbindung zwischen dem Zweig 17 und dem Zweig 19 her. So sind die beiden Kreisläufe entkoppelt. Die Temperatur des Kühlkreislaufs der elektrischen Antriebsorgane kann viel geringer sein als die des Kreislaufs der Wärmekraftmaschine.
In einer Variante kann auch vorgesehen sein, dass das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 herstellt. So wird eine höhere Durchflussrate des Wassers in der Wärmekraftmaschine erzielt, welche für eine geringere Umweltbelastung günstig sein kann, da der Temperaturanstieg der Wärmekraftmaschine schneller vonstatten geht.
Ist die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur höher als die die Öffnung des Thermostats bewirkende Temperatur, so läuft die elektrische Pumpe 21, um einen Durchfluss durch den Zweig 17 zu gewährleisten. Das Ventil 16 stellt eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 her. Das Ventil 23 stellt eine Verbindung zwischen dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und dem Zweig 17 her.
11 stellt eine der Variante in 10 ähnliche Variante dar, nur dass hier der Elektromotor 2 und seine Steuerungseinheit 3 parallel geschaltet sind, wodurch die Ladeverluste minimiert werden können. Die Ventilsteuerung ist mit der in 10 identisch.
In 12 ist eine im Verhältnis zur 10 vereinfachte Ausführungsform dargestellt, in der das Ventil 23 und die Leitung 31 weggelassen wurden. Der Ausgang 6b des Kühlers 6 ist direkt mit der elektrischen Pumpe 21 verbunden. Es sei darauf hingewiesen, dass, in den vorstehenden Ausführungsformen, das Ventil 23 im elektrisch und im hybrid betriebenen Modus dazu dient, einen guten Temperaturanstieg der Wärmekraftmaschine 1 zu begünstigen und gegebenenfalls die Fahrgastzelle zu wärmen. Sind diese beiden Funktionen nicht vorrangig, so kann die in 12 dargestellte Ausführungsform verwendet werden.
Die in 13 dargestellte Ausführungsform ist im Vergleich zu der in 12 gezeigten weiter vereinfacht. Der Zweig 19 ist vereinfacht und das Dreiwegeventil 16 ist durch ein einfaches Ventil 33 ersetzt worden, welches dazu dient die Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 abzudichten und somit zu unterbrechen. Das Ventil 33 dient dazu, den Zweig der elektrischen Bauteile im rein thermisch betriebenen Modus abzutrennen. Das Vorwärmen der Wärmekraftmaschine 1 und das Beheizen der Fahrgastzelle sind weniger leistungsstark. Sind jedoch diese beiden Funktionen nicht vorrangig, so ist diese Ausführungsform aufgrund des vereinfachten Kühlkreislaufs und der vereinfachten Steuerung sehr kostengünstig. Zu steuern sind lediglich das Ventil 33 und die elektrische Pumpe 21. Im hybrid betriebenen Modus kann die elektrische Pumpe 21 immer außer Betrieb gesetzt werden, da das Thermostat 10 geschlossen ist und die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur geringer als TC2 ist.
Ist die mechanische Pumpe 9 im Betrieb und ist das Ventil 33 in Abdichtstellung, so strömt keine Kühlflüssigkeit durch den Zweig 17. Dank der elektrischen Antriebsorgane erfolgt die Kühlung der Wärmekraftmaschine 1 störungsfrei.
Ist das Ventil 33 im elektrisch betriebenen Modus in der geöffneten Stellung, so gibt es den Umlauf des Kühlmittels frei und ermöglicht die Kühlung des Elektromotors 2 und seiner Steuerungseinheit 3.
Ist im hybrid betriebenen Modus die vom Fühler 30 gemessene Temperatur geringer als TC2 und die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur geringer als die die Öffnung des Thermostats bewirkende Temperatur, so wird die elektrische Pumpe 21 außer Betrieb gesetzt und die Kühlflüssigkeit über die von der Wärmekraftmaschine 1 angetriebene mechanische Pumpe 9 in den Zweig 17 gefördert.
Ist die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur höher als TC2 oder ist die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur höher als die die Öffnung des Thermostats bewirkende Temperatur, so wird die elektrische Pumpe 21 in Gang gesetzt.
Die in 14 dargestellte Ausführungsform ist der in 10 dargestellten ähnlich, nur dass hier der Elektromotor 2 nicht mehr auf dem Zweig 17, sondern auf einer parallel zur Heizung 4 montierten Leitung 34 angeordnet ist. Die Kühlung des Elektromotors 2 kann entweder durch das Strömen der Kühlflüssigkeit zwischen den Leitungen 8 und 34 oder durch das Öl der Wärmekraftmaschine 1 sichergestellt werden. In letzterem Fall sollte ein Öl/Wasser-Wärmetauscher vorgesehen werden.
Die in 15 dargestellte Ausführungsform ist der in 1 dargestellten ähnlich, nur dass hier der Zweig 19 weggelassen wurde. Der Zweig 20 ist einerseits mit dem Ventil 16 und andererseits mit der Leitung 32 zwischen der Heizung 4 und der Wärmekraftmaschine 1 verbunden, wobei der Temperaturfühler 12 ebenfalls in diesem Teil der Leitung 32 montiert ist.
Im thermisch betriebenen Modus läuft die Pumpe 9, das Ventil 16 verbindet die Zweige 17 und 18. Das Ventil 23 verbindet den Zweig 17 und den Zweig 22. Die beiden Kreisläufe sind dann entkoppelt.
Im elektrisch betriebenen Modus steht die mechanische Pumpe 9 still, während die elektrische Pumpe 21 im Betrieb ist.
Ist die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur geringer als TC1, so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 20 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 22 her. So kann die Heizung 4 gewärmt und gleichzeitig der Temperaturanstieg der Wärmekraftmaschine 1 sichergestellt werden. Der Temperaturanstieg ist wirksam, da die Kühlflüssigkeit nicht in den Kühler 6 strömt.
Liegt die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur zwischen TC1 und TC2, so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 20 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und dem Zweig 17 her. Bei gleichzeitiger Kühlung der elektrischen Bauteile durch Durchströmen des Kühlers 6 wird stets ein Strömen der Kühlflüssigkeit in der Heizung 4 und dem Motor 1 sichergestellt. Öffnet sich das Thermostat 10, so steht der gesamte Kühler 6 zur Verfügung.
Ist die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur höher als TC2, so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und dem Zweig 17 her. Die Kühlung der elektrischen Organe wird durch die dritte Strecke im Kühler 6, anders ausgedrückt durch den zwischen dem Hauptausgang 6a und dem Hilfsausgang 6b befindlichen Teil des Kühlers 6 gewährleistet.
Im hybrid betriebenen Modus sind sowohl die Wärmekraftmaschine 1 als auch der Elektromotor 2 im Betrieb.
Ist die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur geringer als TC1 und die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur geringer als die die Öffnung des Thermostats bewirkende Temperatur, so können die Steuerungseinheit 3 und der Elektromotor 2 bei Stillstand der elektrischen Pumpe 21 gekühlt werden. Das Ventil 16 stellt eine Verbindung zwischen den Zweigen 20 und 17 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 22 her. Auf diese Weise wird die Betriebsdauer der elektrischen Pumpe reduziert. Bei einem Kaltstart im hybrid betriebenen Modus wird die Wärmeabfuhr durch die elektrischen Organe genutzt, um einen schnellen Temperaturanstieg der Wärmekraftmaschine 1 zu erzielen und gegebenenfalls die Fahrgastzelle zu heizen.
Liegt die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur zwischen TC1 und TC2 und ist die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur geringer als die die Öffnung des Thermostats bewirkende Temperatur, so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 20 und 17 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und dem Zweig 17 her. Die elektrische Pumpe 21 kann ausgeschaltet bleiben.
Ist die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur höher als TC2 oder ist die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur höher als die die Öffnung des Thermostats bewirkende Temperatur, so ist die elektrische Pumpe 21 im Betrieb. Das Ventil 16 stellt eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 und das Ventil 23 eine Verbindung zwischen dem Ausgang 6b des Kühlers 6 und dem Zweig 17 her. Ist das Thermostat 10 geschlossen, so sind die beiden Kreisläufe vollkommen entkoppelt. Ist das Thermostat 10 geöffnet, so werden die beiden Kreisläufe im Bereich des Ausgangs des Kühlers 6, auf der Seite der Wärmekraftmaschine, miteinander verbunden.
Die in 16 dargestellte Ausführungsform ist eine Vereinfachung der in 15 gezeigten. Das Ventil 23 ist weggelassen worden. Der Elektromotor 2, seine Steuerungseinheit 3, der Temperaturfühler 30 und die elektrische Pumpe 21 sind am Zweig 18 in Reihe geschaltet. Der Zweig 17 verbindet direkt den Ausgang 6b des Kühlers 6 mit dem Ventil 16.
Im thermisch betriebenen Modus stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 her.
Ist, im elektrisch betriebenen Modus, die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur geringer als die Solltemperatur TC2, so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 20 und 17 her. Somit wird die Wärmeabfuhr aus den elektrischen Organen dafür verwendet, die Wärmekraftmaschine 1 und die Heizung 4 zu wärmen. Sobald die von dem Fühler 12 gemessene Temperatur die Temperatur TC2 übersteigt, stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 her, wodurch die elektrischen Bauteile gekühlt und die dritte Strecke im Kühler 6 gut durchströmt werden.
Ist, im hybrid betriebenen Modus, die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur geringer als TC2 so stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 20 und 18 her. So kann die elektrische Pumpe 21 ausgeschaltet werden und die von den elektrischen Organen abgegebene Wärme dafür genutzt werden, die Fahrgastzelle zu heizen und den Temperaturanstieg der Wärmekraftmaschine 1 zu gewährleisten. Sobald die von dem Fühler 30 gemessene Temperatur die Temperatur TC2 übersteigt, wird die elektrische Pumpe 21 in Betrieb gesetzt und stellt das Ventil 16 eine Verbindung zwischen den Zweigen 17 und 18 her.
17 stellt schematisch ein Ventil 16 dar. Das Ventil 23 kann vom gleichen Typ sein. Das Ventil 16 besitzt einen zylindrischen Körper 35, in welchem ein bewegliches Element 36 montiert ist, das einen zentralen Kern 37 und Arme 38 und 39 umfasst. Das bewegliche Element 36 wird von einem Elektromotor drehangetrieben. Die Kühlflüssigkeit strömt in dem ringförmigen Raum zwischen der zentralen Nabe 37 und dem Körper 35. So wie das Ventil 16 in 17 dargestellt ist, befindet es sich in einer Stellung, die ein Strömen des Mittels zwischen den Zweigen 18 und 19 zulässt und das Strömen des Mittels durch den Zweig 17 verhindert. Das Durchströmen der Kühlflüssigkeit erfolgt wie in einem in einem Winkel von 120° abgewinkelten Rohr. Der Ladeverlust ist extrem gering.
Die Ausführungsformen, in denen das Thermostat stromaufwärts der Wärmekraftmaschine eingesetzt ist, ermöglichen in bestimmten Betriebsarten, die Versorgung der elektrischen Pumpe insbesondere im hybrid betriebenen Modus bei geschlossenem Thermostat zu unterbrechen. Die von der Wärmekraftmaschine angetriebene mechanische Pumpe stellt den Umlauf der Kühlflüssigkeit in dem Kühler und dann in den elektrischen Antriebsorganen über die ausgeschaltete elektrische Pumpe sicher. Die Kopplung der beiden Kühlkreisläufe, desjenigen der Wärmekraftmaschine und desjenigen des Elektromotors, erfolgt bei geringer Bauteiltemperatur und geschlossenem Thermostat. Der Umlauf der Kühlflüssigkeit wird durch eine der beiden Pumpen sichergestellt. Im elektrisch betriebenen Modus stellt die elektrische Pumpe sicher, dass die Kühlflüssigkeit durch alle Zweige des Kreislaufs strömt. Im hybrid betriebenen Modus wird der Umlauf der Kühlflüssigkeit in allen Organen des Kreislaufs durch die von der Wärmekraftmaschine angetriebene mechanische Pumpe ermöglicht. Sobald die Temperatur in den elektrischen Bauteilen einen bestimmten Wert erreicht, können über eine entsprechende Konfiguration des Kühlkreislaufs mittels der Fühler und der auf die Ventile wirkenden Steuerung der Kreislauf bei hoher Temperatur der Wärmekraftmaschine und der Kreislauf bei geringer Temperatur der elektrischen Antriebsorgane entkoppelt werden.
Die Temperatur der Kühlflüssigkeit am Eingang der elektrischen Antriebsorgane ist in all den Betriebszuständen sehr gering, in denen die Organe Wärme an den Kühlkreislauf abgeben. Die elektrische Pumpe läuft seltener, so dass der Energieverbrauch reduziert und die Möglichkeit gegeben wird, kostengünstige Pumpen herkömmlicher Technologie mit einer Lebensdauer, die größer oder gleich der des Fahrzeuges ist, zu verwenden. Im rein elektrisch betriebenen Modus kann die Wärmeabfuhr aus den elektrischen Antriebsorganen dem Temperaturanstieg der Wärmekraftmaschine und auch dem Beheizen der Fahrgastzelle dienen.

Claims

Kühlsystem für ein eine Wärmekraftmaschine (1) und mindestens einen Elektromotor (2) umfassendes Fahrzeug mit Hybridantrieb, umfassend ein Kühlmittel zum Kühlen der Wärmekraftmaschine und des Elektromotors, einen mehrere Kühlkanäle umfassenden Kühler (6) zum Kühlen des Kühlmittels durch Wärmeaustausch mit einem Luftstrom, einen Eingang und einen Ausgang, eine erste Leitung (7) zwischen dem Ausgang des Kühlers und der Wärmekraftmaschine und eine zweite Leitung (8) zwischen der Wärmekraftmaschine und dem Eingang des Kühlers, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (6) einen Hilfsausgang (6b) derart umfasst, dass das aus dem Hilfsausgang strömende Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die geringer ist, als die des mit der ersten Leitung verbundenen Hauptausgangs (6a), wobei der Hilfsausgang mit einer Abzweigleitung (15) zum Kühlen des Elektromotors verbunden ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung einen mit dem Hilfsausgang verbundenen ersten Zweig (17) und einen mit einer stromaufwärts der Wärmekraftmaschine gelegenen Leitung verbundenen zweiten Zweig (18) umfasst.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zweig (17) mit der ersten Leitung (7) verbindbar ist.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung einen mit der zweiten Leitung verbundenen dritten Zweig (19) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung einen vierten Zweig (20) umfasst, der mit dem Ausgang der Wärmekraftmaschine stromaufwärts eines Thermostats (10) verbunden ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweige der Abzweigleitung untereinander mit einem Mehrwegeventil (16) verbunden sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Thermostat umfasst, das an der ersten Leitung (7) angeordnet ist, wobei das Thermostat die erste Leitung (7) abdichten kann, wobei eine mit dem Elektromotor (2) verbundene Leitung mit der Wärmekraftmaschine (1) in Verbindung stehen kann.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es ein erstes Ventil (16) umfasst, über welches der Ausgang des Elektromotors (2) mindestens mit der Wärmekraftmaschine (1) in Verbindung bringbar ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil ein Mehrwegeventil ist, über welches der Ausgang des Elektromotors (2) mit der Wärmekraftmaschine (1) bzw. mit der zweiten Leitung (8) in Verbindung bringbar ist.
System nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein zweites Ventil (23) umfasst, über welches der Hilfsausgang (6b) mindestens mit dem Elektromotor (2) in Verbindung bringbar ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil ein Mehrwegeventil ist, über welches der Hilfsausgang (6b) mit dem Elektromotor (2) bzw. mit der Wärmekraftmaschine (1) in Verbindung bringbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) an einer Abzweigleitung parallel zur Wärmekraftmaschine (1) montiert ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsausgang mit einer Abzweigleitung verbunden ist, über welche eine elektronische Steuerungseinheit (3) kühlbar ist.
Fahrzeug umfassend ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Kühlverfahren für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb, umfassend eine Wärmekraftmaschine und mindestens einen Elektromotor, die durch Umlauf eines Kühlmittels in den Motoren gekühlt werden, ein Wärmeaustauschmittel zur Kühlung des Kühlmittels durch Wärmeaustausch mit einem anderen Medium und versehen mit einem Eingang und einem Ausgang, bei welchem der Kühlmittelstrom sich im Wärmeaustauschmittel zwischen einem Hauptausgang und einem Hilfsausgang derart verteilt, dass das aus dem Hilfsausgang strömende Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die geringer ist als die des Haupteingangs, wobei der Hilfsausgang mit einer Abzweigleitung verbunden ist, über welche der Elektromotor kühlbar ist.