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Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Pumpen für ein Brems- und Kühlsystem mit einem Elektromotor in einem batteriegetriebenen Fahrzeug, ein Fahrzeug mit der Anordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs.
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Vakuum zum Betreiben eines Bremskraftverstärkers kann in Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen über einen Anschluss an den Ansaugkrümmer, in dem ein Unterdruck herrscht, und/oder durch eine mechanisch oder elektrisch angetriebene Vakuumpumpe gewonnen werden. In batteriegetriebenen elektrischen Fahrzeugen (battery electric vehicles, BEV) wird das Vakuum durch eine Vakuumpumpe bereitgestellt, die durch einen elektrischen Motor angetrieben wird. Dabei kann die Vakuumpumpe während der Bewegung des Fahrzeugs, d.h. während einer Fahrt, durch den Hauptmotor des Fahrzeugs angetrieben werden, der auch die Räder des Fahrzeugs antreibt. Steht das Fahrzeug, wird die Antriebsenergie durch einen weiteren, vergleichsweise kleinen elektrischen Motor (Hilfsmotor) bereitgestellt. Auf diese Weise ist das Bereitstellen von Vakuum auch bei einem stehenden elektrischen Fahrzeug gewährleistet. Entsprechende Anordnungen sind beispielsweise aus der Druckschrift
US 10 207 710 B1 bekannt
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Zum Kühlen von elektrischen Komponenten in einem elektrischen Fahrzeug wird einer elektrisch angetriebenen Kühlwasserpumpe bereitgestellt. Dabei kann die Antriebsenergie je nach Betriebszustand analog zur Vakuumpumpe durch den Hauptmotor oder Hilfsmotor bereitgestellt werden.
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In herkömmlichen BEV sind die elektrische Vakuumpumpe und die Wasserpumpe jeweils mit einem ihnen zugeordneten elektrischen Hilfsmotor verbunden. Das Anordnen von separaten Hilfsmotoren erfordert jedoch Platz im Fahrzeug. Es besteht daher die Aufgabe, eine den Antrieb von Vakuumpumpe und Wasserpumpe in verschiedenen Betriebszuständen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung in einem batteriegetriebenen elektrischen Fahrzeug mit einem ersten elektrischen Motor und einer ersten Antriebswelle, dadurch charakterisiert, dass die Anordnung eine erste Pumpe, eine zweite Pumpe und einen zweiten elektrischen Motor umfasst, der über eine zweite Antriebswelle in Wirkverbindung mit mindestens einer der beiden besagten Pumpen steht, und die beiden Pumpen und der zweite elektrische Motor eine bauliche Einheit darstellen.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung werden vorteilhaft zwei Pumpen und ein elektrischer Motor zum Antrieb der Pumpen in eine bauliche Einheit integriert. Die Pumpen können wahlweise beide oder variabel auch allein von dem Motor angetrieben werden. Gegenüber herkömmlichen Anordnungen spart die Erfindung Platz im Fahrzeug, Energie und damit auch Kosten.
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Der Begriff „bauliche Einheit“ bezieht sich auf eine Gruppierung von Bauteilen, die miteinander integriert sind, d.h. in räumlicher Nähe zueinander angeordnet und in ihrer Wirkung voneinander abhängen.
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Vorzugsweise ist die erste Pumpe der erfindungsgemäßen Anordnung eine elektrische Kühlmittelpumpe eines Kühlmittelkreislaufs. Der Kühlmittelkreislauf ist zum Kühlen von elektrischen Bauteilen im Fahrzeug vorgesehen.
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Vorzugsweise ist die zweite Pumpe der erfindungsgemäßen Anordnung eine Vakuumpumpe für einen Bremskraftverstärker.
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Vorzugsweise steht die zweite Antriebswelle in einer reversiblen kraftschlüssigen Verbindung mit der ersten Antriebswelle, die durch den ersten elektrischen Motor angetrieben wird. Der erste elektrische Motor ist vorzugsweise der Hauptantriebsmotor des Fahrzeugs, von dem über die erste Antriebswelle Antriebsenergie auf mindestens ein Rad des Fahrzeugs übertragen wird. Ist die kraftschlüssige Verbindung geschlossen, wird die zweite Antriebswelle über die erste Antriebswelle vom ersten elektrischen Motor angetrieben. Ist sie gelöst, wird die zweite Antriebswelle vom zweiten elektrischen Motor angetrieben. Die kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch Zahnradverbindungen, Keilriemenverbindungen oder elektromagnetische Verbindungen zustande kommen.
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Bevorzugt weist die zweite Antriebswelle mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Teil auf, die mittels magnetischer Kopplung reversibel miteinander verbindbar sind. Vorzugsweise stehen dabei der erste Teil der zweiten Antriebswelle mit der ersten Pumpe und der zweite Teil der zweiten Antriebswelle mit der zweiten Pumpe in Wirkverbindung. Dabei sind in einem ersten Arbeitszustand der zweiten Antriebswelle die beiden Teile der zweiten Antriebswelle verbunden, so dass sowohl die erste Pumpe als auch die zweite Pumpe angetrieben werden. Dabei ist die magnetische Kopplung geschlossen. In einem zweiten Arbeitszustand der zweiten Antriebswelle sind die beiden Teile der zweiten Antriebswelle getrennt. Dabei ist die magnetische Kopplung geöffnet. Im zweiten Arbeitszustand wird damit nur auf eine, dem elektrischen Motor näher angeordnete Pumpe übertragen. Damit wird vorteilhaft ein energiesparender Modus ermöglicht, wenn nur die Leistung einer Pumpe notwendig ist, beispielsweise wenn eine Kühlung durch die Kühlwasserpumpe notwendig ist, aber aktuell kein neues Vakuum durch die Vakuumpumpe erzeugt werden muss.
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Vorzugsweise weist die Kühlmittelpumpe variable Schaufeln auf. Dadurch kann vorteilhaft die Kühlmittelmenge gesteuert werden, die durch Wirkung der Kühlmittelpumpe durch den entsprechenden Kühlmittelkreislauf strömt. Während in herkömmlichen Anordnungen die Kühlmittelmenge einfach durch die Geschwindigkeit der Pumpe gesteuert werden kann, muss in der erfindungsgemäßen Anordnung berücksichtigt werden, dass bei geschlossener Kopplung der Teile der zweiten Antriebswelle gleichzeitig über dieselbe Antriebswelle zwei Pumpen angetrieben werden. Dabei ermöglichen die variablen Schaufeln ein Steuern der Pumpleistung der Kühlmittelpumpe.
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Vorzugsweise sind die einzelnen Bestandteile der Anordnung in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Dabei können die erste Pumpe, die zweite Pumpe und der zweite elektrische Motor von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sein.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Batterie-getriebenes elektrisches Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die Vorteile des Fahrzeugs entsprechen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines batteriebetriebenen elektrischen Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, mit den Schritten:
- - Antreiben des Fahrzeugs durch den ersten Motor, wobei die zweite Antriebswelle mit der ersten Antriebswelle kraftschlüssig verbunden ist und von ihr angetrieben wird,
- - Stoppen des Fahrzeugs,
- - Lösen der kraftschlüssigen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Antriebswelle,
- - Antreiben der zweiten Antriebswelle durch den zweiten elektrischen Motor.
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Die Vorteile des Verfahrens entsprechend den Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verbindung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil der zweiten Antriebswelle gelöst, um nur die erste Pumpe anzutreiben. Damit wird vorteilhaft ein energiesparender Modus ermöglicht, wenn nur die Leistung der ersten Pumpe angefordert werden wird, die Leistung der zweiten Pumpe jedoch nicht benötigt wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Kühlung durch die Wirkung der Kühlwasserpumpe notwendig ist, aber aktuell kein neues Vakuum durch die Vakuumpumpe erzeugt werden muss.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die erste und die zweite Antriebswelle kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
- 2 eine schematische Darstellung der Anordnung gemäß 1, wobei die erste und die zweite Antriebswelle nicht miteinander verbunden sind.
- 3 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist eine Anordnung 1 in einem batteriegetriebenen elektrischen Fahrzeug dargestellt. Das Fahrzeug weist einen ersten elektrischen Motor 2 auf, der als Hauptantriebsmotor des Fahrzeugs dient. Der erste elektrische Motor 2 ist über eine erste Antriebswelle 10 mit mindestens einem Rad 3 des Fahrzeugs verbunden.
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In einer Anordnung 1 gemäß der Darstellung von 1 sind eine als Kühlmittelpumpe ausgebildete erste Pumpe 4 (im weiteren auch als Kühlmittelpumpe 40 bezeichnet) eines (nicht gezeigten) Kühlmittelkreislaufs und eine einem (nicht gezeigten) Bremskraftverstärker zugeordnete, als Vakuumpumpe ausgebildete zweite Pumpe 5 (im weiteren auch als Vakuumpumpe 50 bezeichnet) nebeneinander angeordnet. Die Kühlmittelpumpe 40 und die Vakuumpumpe 50 werden beide über eine zweite Antriebswelle 20 angetrieben, die von einem zweiten elektrischen Motor 6 angetrieben wird. Die Kühlmittelpumpe 40, Vakuumpumpe 50 und der zweite elektrische Motor 6 sind von einem gemeinsamen Gehäuse 7 umgeben.
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Die Kühlmittelpumpe 40 weist einen Einlass 41 und einen Auslass 42 für das Kühlmittel auf. Als Kühlmittel wird herkömmlicherweise Wasser verwendet, daher kann auch der Begriff Wasserpumpe verwendet werden. Der von der Kühlmittelpumpe 40 versorgte Kühlmittelkreislauf ist besonders als Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf zum Kühlen von elektrischen Komponenten in einem batteriegetriebenen elektrischen Fahrzeug vorgesehen, z.B. der Batterie, elektrischen Motoren und einem DCDC-Wandler.
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Die Vakuumpumpe 50 erzeugt Vakuum im Bremskraftverstärker. Die Vakuumpumpe weist einen Auslass 51 und einen Einlass 52 auf.
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Die zweite Antriebswelle 20 weist einen ersten Teil 21 und einen zweiten Teil 22 auf. Der erste Teil 21 ist mittels einer magnetischen Kopplung 23 mit dem zweiten Teil 22 reversibel verbindbar. Wie in 1 und 2 dargestellt, ist der erste Teil 21 der Kühlmittelpumpe 40 und der zweite Teil 22 der Vakuumpumpe 50 zugeordnet. Ist die magnetische Kopplung 23 aktiviert, sind die beiden Teile 21, 22 verbunden; in diesem Fall überträgt die zweite Antriebswelle 20 die Rotationskraft vom ersten elektrischen Motor 2 auf die Kühlmittelpumpe 2 und die Vakuumpumpe 3. Ist die magnetische Kopplung gelöst, wird nur der erste Teil der Antriebswelle 21 von einem der elektrischen Motoren 2, 6 angetrieben, und damit nur die Kühlmittelpumpe 2. Die magnetische Kopplung 23 wird von einer (nicht gezeigten) Steuerungseinrichtung angesteuert, die bei Bedarf (wenn die Vakuumpumpe 50 benötigt wird) die magnetische Kopplung 23 aktiviert.
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Die Kühlmittelpumpe 40 weist variable Schaufeln auf, um die Kühlflüssigkeitsströmung variieren zu können, wenn sowohl die Kühlmittelpumpe 40 und die Vakuumpumpe 50 angetrieben werden.
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Die erste Antriebswelle 10 weist ein erstes Getrieberad 14 auf, über das es mit einem entsprechenden zweiten Getrieberad 24 mit der zweiten Antriebswelle 20 kraftschlüssig verbindbar ist (1). Ist über die Getrieberäder 14, 24 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der ersten Antriebswelle 10 und der zweiten Antriebswelle 20 hergestellt (1), werden die zweite Antriebswelle 20 und damit die Kühlmittelpumpe 40 und die Vakuumpumpe 50 von dem ersten elektrischen Motor 2 angetrieben. Dies ist herkömmlicherweise während einer Fahrt des entsprechenden Fahrzeugs der Fall. Die Verbindung zwischen den beiden Antriebswellen 10, 20 ist alternativ auch über anderen Mechanismen herstellbar, z.B. über einen Keilriemen oder über eine elektromagnetische Kopplung.
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Ist die kraftschlüssige Verbindung zwischen der ersten Antriebswelle 10 und der zweiten Antriebswelle 20 gelöst, werden die zweite Antriebswelle 20 und damit die Kühlmittelpumpe 40 und die Vakuumpumpe 50 von dem zweiten elektrischen Motor 6 angetrieben (2). Diese ist herkömmlicherweise der Fall, wenn das entsprechend Fahrzeug steht, d.h. die Räder nicht angetrieben werden, eine Kühlung von diversen elektrischen Bauteilen im Fahrzeug sowie die Funktion der Bremsen jedoch gewährleistet werden muss. Das Lösen und Verbinden der Getrieberäder 14 und 24 ist ein Auskuppeln bzw. Einkuppeln, das automatisch je nach Betriebszustand des Fahrzeugs (Stehen oder Bewegen) durchgeführt wird.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines batteriebetriebenen elektrischen Fahrzeugs gemäß 3 wird zunächst von einer Bewegung, d.h. einem fahrenden Zustand des Fahrzeugs ausgegangen. Dazu wird das Fahrzeug in einem ersten Schritt S1 durch den ersten elektrischen Motor 2 angetrieben. Die zweite Antriebswelle 20 ist mit der ersten Antriebswelle 10 kraftschlüssig verbunden und wird von ihr angetrieben.
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In einem zweiten Schritt S2 wird das Fahrzeug gestoppt. In einem dritten Schritt S3, der synchron mit dem zweiten Schritt S2 ablaufen kann, wird die kraftschlüssige Verbindung der zweiten Antriebswelle 20 mit der ersten Antriebswelle 10 gelöst.
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In einem vierten Schritt S4 wird dann die zweite Antriebswelle 20 durch den zweiten elektrischen Motor 6 angetrieben. Der Antrieb erfolgt so lange, wie eine Kühlung durch den von der Kühlmittelpumpe 40 angetriebenen Kühlmittelkreislauf notwendig ist und/oder Vakuum für den Bremskraftverstärker durch die Vakuumpumpe 50 benötigt wird. Der zweite elektrische Motor 6 wird dabei durch die Steuerungseinrichtung des Fahrzeugs gesteuert, z.B. in Abhängigkeit von der Temperatur der zu kühlenden elektrischen Bauteile.
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Wird das Fahrzeug wieder bewegt, wird die Verbindung zwischen der ersten Antriebswelle 10 und der zweiten Antriebswelle 20 wieder hergestellt. Der Antrieb der zweiten Antriebswelle 20 erfolgt dann wieder durch den ersten elektrischen Motor 2. Die Schritte des Verfahrens laufen dann in umgekehrter Reihenfolge ab.
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In Schritt S4 kann die Verbindung zwischen dem ersten Teil 21 und dem zweiten Teil 22 der zweiten Antriebswelle 20 gelöst werden, um nur die Kühlmittelpumpe 40 anzutreiben. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Kühlung von Bauteilen durch die Wirkung der Kühlwasserpumpe 40 benötigt wird, aber aktuell kein neues Vakuum durch die Vakuumpumpe 50 erzeugt werden muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- erster elektrischer Motor
- 3
- Rad
- 4
- erste elektrische Pumpe
- 40
- Kühlmittelpumpe
- 41
- Einlass der Kühlmittelpumpe
- 42
- Auslass der Kühlmittelpumpe
- 5
- zweite elektrische Pumpe
- 50
- Vakuumpumpe
- 51
- Einlass der Vakuumpumpe
- 52
- Auslass der Vakuumpumpe
- 6
- zweiter elektrischer Motor
- 7
- Gehäuse
- 10
- erste Antriebswelle
- 20
- zweite Antriebswelle
- 21
- erster Teil der zweiten Antriebswelle
- 22
- zweiter Teil der zweiten Antriebswelle
- 23
- magnetische Kopplung
- 14
- erstes Getrieberad
- 24
- zweites Getrieberad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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