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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren
zum Steuern eines solchen Kühlsystems.
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Hintergrund der Erfindung
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Moderne
Fahrzeuge setzten verschiedene elektrische Leistung erzeugende Vorrichtungen
ein, die derart ausgelegt sind, um einer Reihe von Zielen gerecht
zu werden. Ein Beispiel für
eine solche Vorrichtung ist ein elektrischer Motor-Generator, der
in Verbindung mit einem Antriebsaggregat, beispielsweise einer Brennkraftmaschine,
als Teil eines Hybridantriebssystems verwendet wird. Ein anderes
Beispiel für
eine solche Vorrichtung ist ein Leistungselektronikteil.
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Als
Nebenprodukt der Erzeugung von Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs
erzeugt das Antriebsaggregat Wärmeenergie.
Um ein effizientes und zuverlässiges
Arbeiten des Antriebsaggregats sicherzustellen, wird diese Wärmeenergie
typischerweise mittels eines Kühlmittels
abgeführt.
Analog erzeugen die vorstehend erwähnten elektrischen Vorrichtungen
in Folge des Erzeugens elektrischer Leistung ebenfalls Wärme, die
analog abgeführt
werden muss.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
Anbetracht des Vorstehenden wird ein Kühlsystem für ein Fahrzeug, das eine elektrische Leistung
erzeugende Vorrichtung und ein Antriebsaggregat aufweist, die betreibbar
sind, um das Fahrzeugs anzutreiben, vorgesehen. Das Kühlsystem umfasst
einen primären
Wärmetauscher,
der relativ zu dem Antriebsaggregat angeordnet ist. Der primäre Wärmetauscher
ist betreibbar, um Kühlmittel
von dem Antriebsaggregat aufzunehmen, um die Temperatur des Kühlmittels
zu verringern und um das Kühlmittel
verringerter Temperatur zu dem Antriebsaggregat zurückzubefördern. Das
Kühlsystem
umfasst auch einen relativ zu dem primären Wärmetauscher angeordneten Hilfswärmetauscher,
der betreibbar ist, um das Kühlmittel
verringerter Temperatur von dem primären Wärmetauscher aufzunehmen. Der
Hilfswärmetauscher
ist derart ausgelegt, um die Temperatur des Kühlmittels weiter zu verringern
und das Kühlmittel
mit weiter verringerter Temperatur vorzusehen, um die elektrische
Leistung erzeugende Vorrichtung zu kühlen. Die elektrische Leistung
erzeugende Vorrichtung kann in einem Hybridfahrzeug verwendet werden,
bei dem die elektrische Leistung erzeugende Vorrichtung ein Motor-Generator
ist, der betreibbar ist, um das Fahrzeug anzutreiben.
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Der
Hilfswärmetauscher
ist weiterhin derart ausgelegt, um die Temperatur des Kühlmittels
zu verringern und das Kühlmittel
weiter verringerter Temperatur zu der elektrische Leistung erzeugenden
Vorrichtung zu liefern. Das Kühlsystem
kann das Kühlmittel
verringerter Temperatur bei einem vorbestimmten Durchfluss zu dem
Antriebsaggregat zurückführen lassen
und das Kühlmittel
weiter verringerter Temperatur bei einem Durchfluss, der niedriger
als der vorbestimmte Durchfluss ist, zu der elektrische Leistung
erzeugenden Vorrichtung liefern.
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Das
Kühlsystem
kann weiterhin eine Hilfspumpe umfassen, die betreibbar ist, um
das Kühlmittel
verringerter Temperatur zu dem Antriebsaggregat zurückzubefördern. Das
Kühlsystem
kann zusätzlich eine
von einem elektronischen Steuergerät gesteuerte Hilfspumpe umfassen,
um das Kühlmittel
weiter verringerter Temperatur von dem Hilfswärmetauscher zu der elektrische
Leistung erzeugenden Vorrichtung zu liefern. Alternativ kann das
Kühlsystem eine Öffnung umfassen,
die derart ausgelegt ist, um die Strömung des Kühlmittels weiter verringerter Temperatur
von dem Hilfswärmetäuscher zu
der elektrische Leistung erzeugenden Vorrichtung zu steuern. In
jedem Fall kann der Durchfluss des Kühlmittels weiter verringerter
Temperatur zu der elektrische Leistung erzeugenden Vorrichtung auf
etwa 0,5 bis 2 Liter/Minute gesteuert werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist ein Verfahren zum Steuern eines Kühlsystems für ein Hybridfahrzeug vorgesehen,
das ein Antriebsaggregat und einen Motor-Generator aufweist, die
betreibbar sind, um das Fahrzeug anzutreiben. Das Verfahren umfasst
das Aufnehmen eines Kühlmittels
einer ersten Temperatur von dem Antriebsaggregat mittels eines relativ
zu dem Antriebsaggregat angeordneten primären Wärmetauschers. Das Verfahren
umfasst zusätzlich
das Verringern der Temperatur des Kühlmittels mittels des primären Wärmetauschers
und das Rückbefördern eines
ersten Teils des Kühlmittels verringerter
Temperatur zu dem Antriebsaggregat. Das Verfahren umfasst auch das
Befördern
eines zweiten Teils des Kühlmittels
verringerter Temperatur von dem primären Wärmetauscher zu einem relativ zu
dem Motor-Generator angeordneten Hilfswärmetauscher. Das Verfahren
umfasst zusätzlich
das weitere Verringern von Temperatur des zweiten Teils des Kühlmittels
mittels des Hilfswärmetauschers
und das Steuern der Beförderung
des zweiten Teils weiter verringerter Temperatur des Kühlmittels
zu dem Motor-Generator. Das Verfahren um fasst weiterhin das Befördern des
zweiten Teils des Kühlmittels
von dem Motor-Generator zu dem Antriebsaggregat.
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Das
Rückbefördern des
Kühlmittels
verringerter Temperatur zu dem Antriebsaggregat kann bei einem vorbestimmten
Durchfluss verwirklicht werden, und das Liefern des Kühlmittels
weiter verringerter Temperatur zu dem Motor-Generator kann bei einem
Durchfluss, der niedriger als der vorbestimmte Durchfluss ist, verwirklicht
werden. Das Steuern des Durchflusses des Kühlmittels weiter verringerter Temperatur
kann durch ein Steuergerät
vorgenommen werden.
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Die
vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung gehen mühelos aus der folgenden eingehenden
Beschreibung der besten Methoden zum Ausführen der Erfindung unter Heranziehen
der Begleitzeichnungen hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische schaubildliche Ansicht einer ersten Ausführungsform
eines Fahrzeug-Kühlsystems;
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2 ist
eine schematische schaubildliche Ansicht einer zweiten Ausführungsform
eines Fahrzeug-Kühlsystems;
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3 zeigt
eine grafische Darstellung von Betriebstemperaturen gegen Kühlmitteldurchfluss
für einen
Motor-Generator, der durch das in 1 und 2 gezeigte
Kühlsystem
gekühlt
ist; und
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4 zeigt
schematisch in Flussdiagrammform ein Verfahren gemäß der Ausführungsform
zum Steuern des in 1 gezeigten Kühlsystems.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Das
Kühlsystem
gemäß der bevorzugten Ausführungsform
umfasst eine elektrische Leistung erzeugende Vorrichtung, die in
einem Fahrzeug verwendet und durch ein Wärmeübertragungsfluid, d. h. Kühlmittel,
gekühlt
wird, das auch zum Kühlen
eines Antriebsaggregats, beispielsweise einer Brennkraftmaschine
(IC) oder einer Brennstoffzelle, verwendet wird. Das in Betracht
gezogene Kühlmittel
ist typischerweise eine Lösung
einer geeigneten organischen Chemikalie (meist Ethylenglykol, Diethylenglykol
oder Propylenglykol) in Wasser. Die fluidgekühlte, elektrische Leistung
erzeugende Vorrichtung kann ein Leistungselektronikmodul oder ein
Motor-Generator sein, das/der als Teil eines Hybridantriebssystems
zum Antreiben eines solchen Fahrzeugs verwendet wird, wie für den Fachmann
ersichtlich ist.
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Hybridantriebssysteme
werden in dem Bemühen
entwickelt, den Kraftstoffwirkungsgrad von Fahrzeugen zu verbessern
und Abgasemissionen von Fahrzeugen zu verringern. Durch Abschalten des
Antriebsaggregats eines Fahrzeugs, wenn dieses ansonsten bei Leerlauf
oder Leerlaufstopp laufen würde,
und Ermöglichen
einer frühzeitigen
Schubabschaltung während
Fahrzeugverzögerung
kann im Allgemeinen eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit
des Fahrzeugs erreicht werden. Typischerweise verwenden solche Hybridantriebssysteme
zum Antreiben des Fahrzeugs einen Motor-Generator zusätzlich zu
dem Antriebsaggregat.
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In
manchen Hybridantriebssystemen ist ein Antriebsaggregat wie das
vorstehende die primäre Quelle
von Fahrzeugleistung. In solchen Systemen wird typischerweise ein
Motor-Generator als riemengetriebener Starter-Generator (BAS) verwendet.
Der BAS wird typischerweise zum Erzeugen elektrischer Energie zur
Verwendung durch Fahrzeugnebenaggregate und zum schnellen Neustarten
und Hochdrehen des Antriebsaggregats auf Betriebsdrehzahlen verwendet.
Bei anderen Arten von Hybridantriebssystemen wird ein Motor-Generator
verwendet, um das Antriebsaggregat bei der Energieversorgung, d. h.
dem Antreiben, des Fahrzeugs zu unterstützen, und wobei es bei bestimmten
Bedingungen sogar als alleinige Quelle von Fahrzeugleistung fungiert.
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Unter
Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Elemente durchgehend
mit identischen Mineralien bezeichnet sind, zeigt 1 ein Hybridfahrzeug-Kühlsystem 10.
Das Kühlsystem 10 umfasst
ein Antriebsaggregat 12 und einen Motor-Generator 14,
der mit dem Antriebsaggregat funktionell verbunden ist. Das Antriebsaggregat 12 kann eine
Brennkraftmaschine (IC), beispielsweise ein Fremdzündungs-
oder Kompressionszündungsbrennkraftmaschine,
oder eine Brennstoffzelle sein. Auch wenn ein Motor-Generator in
dem Kühlsystem 10 beschrieben
wird, wird analog ein kombinierter Generator-Starter, ein Leistungselektronikmodul oder
eine beliebige andere elektronische Vorrichtung zum Erzeugen von
elektrischer Leistung, die eine Vorrichtung zum Umwälzen von
Kühlmittel
aufweisen, analog in Betracht gezogen.
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Das
Antriebsaggregat 12 kann zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet
werden, während
der Motor-Generator 14, in diesem Fall ein Motor-Generator, verwendet
werden kann, um ein schnelles Neustarten des Antriebsaggregats 12 aus
dem Abschaltmodus, d. h. dem Stopp- oder Leerlaufstoppbetrieb, vorzusehen.
Der Motor-Generator 14 kann auch verwen det werden, um Leistung
zum Antreiben des Hybridfahrzeugs zu erzeugen, während das Antriebsaggregat 12 abgeschaltet
ist. Wie für
den Fachmann ersichtlich ist, kann es eine Anzahl von Möglichkeiten geben,
um das Antriebsaggregat 12 mit dem Motor-Generator 14 zu
verbinden, um diese Funktionen vorzusehen.
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Das
Antriebsaggregat 12 erzeugt Wärmeenergie als Nebenprodukt
des Erzeugens von Leistung, die zum Antreiben des Hybridfahrzeugs
verwendet wird. Eine solche Wärmeenergie
wird mittels eines Kühlmittels,
d. h. eines zirkulierenden Kühlfluids (nicht
gezeigt), das ständig
durch mehrere Leitungen des Kühlsystems 10 umläuft, abgeführt. Das
Kühlmittel
tritt aus dem Antriebsaggregat 12 aus und wird mittels
einer Leitung 16 zu einem primären Wärmetauscher 18 befördert. Der
Wärmetauscher 18 wird als
Wasser/Luft-Kühler
in Betracht gezogen, der derart ausgelegt ist, um eine ausreichende
Verringerung von Kühlmitteltemperatur
sicherzustellen, um ein effizientes Arbeiten des Antriebsaggregats 12 sicherzustellen.
Nachdem die Kühlmitteltemperatur
in dem Wärmetauscher 18 verringert
wurde, tritt das Kühlmittel
mittels einer Leitung 20 aus dem Wärmetauscher aus.
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Die
Leitung 20 teilt sich in zwei Leitungszweige, eine Leitung 22,
die derart ausgelegt ist, um das Kühlmittel verringerter Temperatur
zu einem Thermostat 24 zu befördern, der derart ausgelegt
ist, um den Durchfluss von Kühlmittel
zu steuern, und in eine Leitung 30. Der Thermostat 24 nimmt
von Leitung 44 einen Teil des Kühlmittels auf, das von einem
(nicht gezeigten) Heizungs- und Lüftungssystem des Fahrzeugs
zurückströmt. Am Thermostat 24 vorbei
strömt das
von der Leitung 22 gelieferte Kühlmittel verringerter Temperatur
mittels Leitung 26 weiter zu einer primären Fluidpumpe 28.
Dadurch wird das Kühlmittel
verringerter Temperatur zu dem Antriebsaggregat 12 zurückbefördert, was
den Kühlmittelkreislauf abschließt. Das
Baseline-Volumen und der Baseline-Druck des Kühlmittels in den Leitungen 16, 20, 22 und 26 werden
mittels der primären
Fluidpumpe 28 vorgesehen, während der Thermostat 24 den
Kühlmittelstrom
auf einen vorbestimmten Durchfluss zum Umwälzen durch das Antriebsaggregat 12 beschränkt.
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Die
Leitung 30 leitet einen Teil des Kühlmittels verringerter Temperatur
nach dem Wärmetauscher 18 um
und befördert
diesen Teil des Kühlmittels für weitere
Temperaturverringerung zu einem Hilfswärmetauscher 32. Der
Hilfswärmetauscher
ist derart ausgelegt, um Kühlmittel
bei einem relativ niedrigen Durchfluss in dem Bereich von 0,5–2 Liter/Minute abzufertigen,
wodurch mehr Zeit vorgesehen wird, um die Temperatur des Kühlmittels
weiter zu verringern. Bei 30 Grad Celsius Umgebungstemperatur liegt
das Betriebsziel des Hilfswärmetauschers 32 in dem
Bereich von 40–60
Grad Celsius Kühlmittelaustrittstemperatur.
Ein präziser
Zielwert für
die Betriebstemperatur des Hilfswärmetauschers 32 würde beruhend
auf der Temperatur des von dem primären Wärmetauscher 18 einströmenden Kühlmittels
und der Kühlleistung
des Hilfswärmetauschers 32 bestimmt
werden. Nachdem die Kühlmitteltemperatur
in dem Hilfswärmetauscher 32 weiter
verringert ist, wird das Kühlmittel
zu Leitung 34 abgelassen.
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Die
Leitung 34 befördert
das Kühlmittel
weiter verringerter Temperatur zu einer Hilfsfluidpumpe 36.
Die Fluidpumpe 36 beaufschlagt das Kühlmittel weiter verringerter
Temperatur mit Druck und befördert
das Kühlmittel
zum Abführen
von Wärmeenergie,
die von dem Motor-Generator während
der Leistungserzeugung erzeugt wird, zu dem Motor-Generator 14.
Die Fluidpumpe 36 wird von einem Steuergerät 37 gesteuert,
um Kühlmittel
bei dem vorstehend erwähnten
Durchfluss von 0,5–2
Liter/Minute zu liefern. Nachdem die Wärmeenergie des Motor-Generators 14 abgeführt wurde,
tritt das Kühlmittel
mittels Leitung 40 aus dem Motor-Generator aus und wird
zu Leitung 22 befördert,
wo es mit dem Kühlmittel
verringerter Temperatur vereint wird, das von dem primären Wärmetauscher 18 zu
dem Thermostat 24 befördert
wird. Nach dem Thermostat 24 wird das Fluid zu der Leitung 26 und
durch die Pumpe 28 zurück
zu dem Antriebsaggregat 12 befördert.
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2 zeigt
eine alternatives Hybridfahrzeug-Kühlsystem 10A, bei
dem alle gleichen Elemente identisch zu den in 1 erscheinenden
nummeriert sind. Das Kühlsystem 10A ist
identisch zu dem Antriebsaggregat 12 bis hin zu dem Hilfswärmetauscher 32 ausgelegt.
Das Kühlmittel
weiter verringerter Temperatur wird von dem Hilfswärmetauscher 32 zu
der Leitung 34 abgelassen, die das Kühlmittel zu einer Öffnung 42 befördert. Die Öffnung 42 ist
derart ausgelegt, um die Strömung
des Kühlmittels
weiter verringerter Temperatur zu dem Motor-Generator 14 hinunter
auf die Kühlmittelflussanforderung
des Motor-Generators von 0,5–2
Liter/Minute zu drosseln.
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Infolge
des drosselnden Kühlmittelflusses der Öffnung 42 bleibt
das Kühlmittel
einen längeren Zeitraum
lang in dem Hilfswärmetauscher 32,
wodurch ein größerer Kühlmitteltemperaturabfall
ermöglicht
wird. Das Kühlmittel
weiter verringerter Temperatur wird mittels der Leitung 38 zu
dem Motor-Generator 14 befördert. Nachdem die Wärmeenergie des
Motor-Generators 14 abgeführt wurde, tritt das Kühlmittel
mittels Leitung 40A aus dem Motor-Generator aus und wird
zu der Leitung 44 stromaufwärts des Thermostats 24 (in 2 gezeigt)
befördert. Eine Öffnung 45 ist
direkt stromaufwärts
des Thermostats 24 in Leitung 22 positioniert
und derart ausgelegt, um einen Kühlmitteldruckabfall
herbeizuführen, der
erforderlich ist, um in dem Kühlsystem 10A einen Kühlmittelfluss
zu erzeugen. Alternativ kann die Öffnung 45 in die bauliche
Struktur des Thermostats 24 integriert werden, um das gleiche
Ergebnis zu erzielen. Nachdem das Kühlmittel durch den Thermostat 24 tritt,
wird es zu der Leitung 26 und durch die Pumpe 28 zurück zu dem
Antriebsaggregat 12 befördert.
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3 zeigt
eine grafische Darstellung von experimentell ermittelten Betriebstemperaturen
des Motor-Generators 14 gegen Kühlmitteldurchfluss. Wenngleich
nicht gezeigt folgt der Motor-Generator 14 charakteristischerweise
einer typischen Konstruktion eines elektrischen Motors. Als solcher
nutzt ein Motor-Generator im Allgemeinen einen Stahlstator mit Drahtwicklungen,
wobei der Stator mit seinem äußeren Teil
in ein Aluminiumgehäuse
gedrückt
ist, das einen Kühlmantel
umfasst. Typischerweise wird während
des Betriebs des Motor-Generators in den Drahtwicklungen Wärme erzeugt. Überschüssige Wärme kann
aber den Motor-Generator außer
Betrieb setzen. Somit ist es allgemein wünschenswert, überschüssige Wärme abzuführen, während der
Motor-Generator in Betrieb ist.
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Überschüssige Wärme kann
durch Abstrahlung an die Umgebungsluft oder durch Zwangskühlung mittels
Leiten zu einem gezielt in Kanälen
geführten
und umgewälzten
Kühlmittel
von einem Motor-Generator abgeführt
werden. Im Fall des Motor-Generators 14 wird die Wärme von
den Wicklungen zu dem Stahlstator geleitet. Von dem Stator wird die
Wärme zu
dem Aluminiumgehäuse
geleitet und wird von dort von einem Kühlmittel, das durch eigens vorgesehene
Kühlkanäle (nicht
gezeigt), die aber mit den Kanälen 38 und 40 von 1 oder
mit den Kanälen 38 und 40A von 2 in
Fluidverbindung stehen, umgewälzt
wird, abgeleitet. Zum Erfassen der tatsächlichen Temperatur des Stators
kann der Motor-Generator 14 auch einen (nicht gezeigten)
Wärmefühler enthalten,
der mit den Drahtwicklungen in Kontakt steht.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, wird die Differenz zwischen
der Temperatur der Wicklungen und der Temperatur des Kühlmittels,
die durch eine Trendlinie 46 gekennzeichnet ist, nur von
52 auf 47 Grad Celsius verringert, wenn der Kühlmitteldurchfluss von 0,25
auf 10 Liter/Minute erhöht
wird. Somit ist die Größenordnung
des Statortemperaturabfalls gegenüber dem Kühlmitteldurchfluss relativ
unempfindlich. Wird der Kühlmitteldurchfluss
von 0,25 auf 10 Liter/Minute erhöht,
wird die Differenz zwischen der Temperatur des äußeren Teils des Stahlstators, der
mit dem Gehäuse
in Kontakt steht, und der Temperatur des Kühlmittels, die durch die Trendlinie 48 gekennzeichnet
ist, nur von 14 auf 9 Grad Celsius verringert. Somit ist die Größenordnung
des Temperaturabfalls des äußeren Teils
des Stahlstators gegenüber
dem Kühlmitteldurchfluss ähnlich unempfindlich.
Daher kann ein relativ großer
Kühlmitteldurchfluss
in dem Bereich von 0,5–2
Liter/Minute genutzt werden, um in dem Hilfswärmetauscher 32 einen
größeren Temperaturabfall
zu erzeugen, um für den
Motor-Generator 14 ein wirksames Kühlen vorzusehen.
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4 stellt
ein Verfahren 50 zum Steuern des Kühlsystems 10 oder 10A dar,
das in 1 bzw. 2 gezeigt ist. Das Verfahren 50 wird
bezüglich 1 und 2 und
der vorstehenden Beschreibung des Kühlsystems 10 beschrieben.
Das Verfahren setzt bei Block 52 ein und rückt dann
zu Block 54 vor. Bei Block 54 wird Kühlmittel
erhöhter
Temperatur von dem Antriebsaggregat 12 aufgenommen. Dann schreitet
das Verfahren zu Block 56 vor. Bei Block 56 wird
die Temperatur des Kühlmittels
durch den primären
Wärmetauscher 18 verringert.
Dann befördert das
Verfahren bei Block 58 einen ersten Teil des Kühlmittels
verringerter Temperatur zurück
zu dem Antriebsaggregat 12 und befördert bei Block 60 einen zweiten
Teil des Kühlmittels
verringerter Temperatur zu dem Hilfswärmetauscher 18.
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Gemäß dem Verfahren
wird nach Block 60 die Temperatur des zweiten Teils des
Kühlmittels
verringerter Temperatur dann durch den Hilfswärmetauscher 18 bei
Block 62 weiter verringert. Dann rückt das Verfahren zu Block 64 vor,
wo das Befördern
des in der Temperatur weiter verringerten zweiten Teils des Kühlmittels
zu dem Motor-Generator 14 gesteuert wird. Nach Block 64 wird
der zweite Teil des Kühlmittels
von dem Motor-Generator 14 zu
dem Antriebsaggregat 12 befördert. An diesem Punkt kehrt
das Verfahren 50 zu Block 52 zurück und beginnt
erneut. Das Verfahren arbeitet ständig gemäß der vorstehenden Beschreibung,
während
das Fahrzeug in Betrieb ist.
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Auch
wenn das Verfahren bezüglich
des in einem Hybridfahrzeug-Antriebssystem
verwendeten Motor-Generators 14 beschrieben wurde, kann
das Verfahren auch beim Kühlen
einer beliebigen elektrische Leistung erzeugenden Vorrichtung verwendet werden,
die eine Vorrichtung zum Umwälzen
von Kühlmittel
aufweist.
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Während die
besten Methoden zum Ausführen
der Erfindung näher
beschrieben wurden, wird der Fachmann, an den sich diese Erfindung
richtet, verschiedene alternative Auslegungen und Ausführungsformen
zum Umsetzen der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.