Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Energierückgewinnung in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug.

In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen steht keine Motorbremsleistung wie bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor zur Verfügung, die die Betriebsbremse als Dauerbremsvorrichtung entlasten kann und damit die aktive Sicherheit erhöht. Dies ist insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge relevant.

Die DE 10 2018 1030592 A1 offenbart ein System für einen Elektroantrieb mit einem zusätzlichen Bremssystem, das eine hydraulische Verzögerungsvorrichtung aufweist, die zur mechanischen Verbindung einem Ende eines Rotors eines Elektromotors ausgestaltet ist. Bei Aktivierung übt die hydraulische Verzögerungsvorrichtung eine Bremskraft über die mechanische Verbindung auf das axiale Ende des Rotors aus.

Die DE 10 2017 010 531 A1 offenbart ein WHR-System für ein Fahrzeug, das einen Verbrennungsmotor und einen hydraulischen Retarder umfasst. Das WHR-System umfasst einen WHR-Kreislauf mit einer Pumpe und einem ersten Verdampfer, in dem ein Arbeitsmedium durch Abgase vom Verbrennungsmotor erwärmt wird. In einem Expander wird Wärmeenergie vom Arbeitsmedium in mechanische Energie umgewandelt. Das WHR-System umfasst einen Wärmespeicher, der Wärmeenergie von einem Bremsprozess des hydraulischen Retarders speichert, und einen zweiten Verdampfer, in dem ein Arbeitsmedium durch Wärmeenergie vom Wärmespeicher erwärmt wird. Eine Ventilanordnung leitet den Fluss des Arbeitsmediums im WH R-Kreislauf zum ersten Verdampfer oder zum zweiten Verdampfer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative und/oder verbesserte Technik zum Erhöhen eines Wirkungsgrads eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.

Gemäß einem Aspekt ist eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug (z. B. Lastkraftwagen oder Omnibus) offenbart. Die Vorrichtung weist eine elektrische Antriebseinheit zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und eine Dauerbremsvorrichtung, die als ein hydrodynamischer Retarder ausgebildet und trieblich mit der elektrischen Antriebseinheit verbunden oder verbindbar ist, auf. Die Vorrichtung weist eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einer Expansionsmaschine (z. B. Turbine, Kolbenmaschine oder Scroll-Expander), die mit der Dauerbremsvorrichtung zur Energierückgewinnung aus einer bei einem Bremsen der Dauerbremsvorrichtung entstehenden Abwärme verbunden oder verbindbar ist, auf.

Die Vorrichtung ermöglicht, dass aus der Abwärme beim Bremsen Energie zurückgewonnen wird. Damit kann ein Wirkungsgrad des elektrischen Antriebsstrangs weiter gesteigert werden, da weniger Energie in Form von Abwärme verloren geht. Eine Reichweite des Kraftfahrzeugs kann so ebenfalls erhöht werden.

In einem Ausführungsbeispiel kann die Abwärmenutzungseinrichtung auf einem Clausius- Rankine-Kreisprozess oder auf einem Joule-Brayton-Kreisprozess basieren.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in der Dauerbremsvorrichtung ein Wärmeübertrager integriert, der zum Übertragen einer Abwärme der Dauerbremsvorrichtung (z. B. von einem Fluidkreislauf der Dauerbremsvorrichtung) auf einen Fluidkreislauf der Abwärmenutzungseinrichtung ausgebildet ist. Der Wärmeübertrager kann somit platzsparend direkt in der Dauerbremsvorrichtung angeordnet sein. So kann auch besonders viel beim Bremsen entstehende Abwärme zu der Abwärmenutzungseinrichtung übertragen werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Wärmeübertrager außerhalb der Dauerbremsvorrichtung angeordnet, wobei der Wärmeübertrager zum Übertragen einer Abwärme der Dauerbremsvorrichtung (z. B. von einem Fluidkreislauf der Dauerbremsvorrichtung) auf einen Fluidkreislauf der Abwärmenutzungseinrichtung ausgebildet ist. Eine solche Anordnung ist vergleichsweise einfach zu realisieren und kann daher bspw. unter Kostengesichtspunkten oder aus Bauraumgründen vorteilhaft sein.

In einer Weiterbildung ist der Wärmeübertrager ein Verdampfer, der zum Verdampfen eines Arbeitsfluids der Abwärmenutzungseinrichtung ausgebildet ist (z. B. zum Realisieren des Clausius-Rankine-Kreisprozesses). Alternativ kann der Wärmeübertrager bspw. als ein Flüssigkeit-Gas-Wärmeübertrager, in dem ein gasförmiges Arbeitsfluid der Abwärmenutzungseinrichtung erwärmbar ist, ausgebildet sein (z. B. zum Realisieren des Joule-Brayton-Kreisprozesses). In einer Ausführungsform weist die Abwärmenutzungseinrichtung einen Expansionsmaschinen-Bypass auf, der die Expansionsmaschine umgeht. Vorzugsweise kann die Abwärmenutzungseinrichtung zusätzlich eine Ventileinrichtung aufweisen, die zum Anpassen eines Fluidstroms durch die Expansionsmaschine und/oder den Expansionsmaschinen-Bypass angeordnet ist. Damit kann die Steuerbarkeit der Abwärmenutzungseinrichtung verbessert werden. Bspw. kann so eine Überbelastung der Expansionsmaschine verhindert werden.

In einer Weiterbildung weist die Abwärmenutzungseinrichtung eine (z. B. isenthalpe) Drossel auf, die in dem Expansionsmaschinen-Bypass angeordnet ist. Vorzugsweise kann die Drossel integriert mit oder separat zu der Ventileinrichtung vorgesehen sein.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Abwärmenutzungseinrichtung eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter (z. B. Drehzahl) der Expansionsmaschine und/oder einem Fluidparameter (z. B. Temperatur, Druck und/oder Massenstrom) eines Arbeitsfluids der Abwärmenutzungseinrichtung, vorzugsweise stromaufwärts und/oder stromabwärts der Expansionsmaschine, zu betätigen.

Vorzugsweise kann sich der Begriff „Steuereinheit“ auf eine Elektronik (z. B. mit Mikroprozessor(en) und Datenspeicher) und/oder mechanische Steuerung und/oder hydraulische Steuerung beziehen, die je nach Ausbildung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hierin der Begriff „Steuern“ verwendet wird, kann damit gleichsam zweckmäßig auch „Regeln“ bzw. „Steuern mit Rückkopplung“ umfasst sein.

In einer Ausführungsvariante weist die Abwärmenutzungseinrichtung einen, vorzugsweise lüftergekühlten, Kühler, vorzugsweise einen Kondensator oder einen Gaskühler, auf, der stromabwärts der Expansionsmaschine angeordnet ist. Der Lüfter kann bspw. elektrisch angetrieben sein und/oder mittels der Steuereinrichtung gesteuert sein, vorzugsweise in Abhängigkeit von mindestens einem Fluidparameter des Arbeitsfluids der Abwärmenutzungseinrichtung, z. B. stromaufwärts oder stromabwärts des Kühlers.

In einer Weiterbildung weist die Abwärmenutzungseinrichtung einen Zwischenwärmeübertrager (z. B. Vorwärmer) auf, der zum thermischen Koppeln einer Fluidleitung (z. B. direkt) stromaufwärts des Kühlers mit einer Fluidleitung (z. B. direkt) stromabwärts des Kühlers angeordnet ist. Vorzugsweise kann die Abwärmenutzungseinrichtung ferner eine Ventilvorrichtung aufweisen, die zum Anpassen eines Fluidstroms durch den Kühler und/oder den Zwischenwärmeübertrager angeordnet ist. Somit kann ein Rekuperieren ermöglicht werden, wenn die Fluidparameter des Arbeitsfluids stromabwärts der Expansionsmaschine noch höher als Umgebungsniveau sind.

In einer weiteren Ausführungsvariante weist die Abwärmenutzungseinrichtung einen Kühler- Bypass, der den Kühler umgeht, auf. Vorzugsweise kann die Abwärmenutzungseinrichtung eine Ventilvorrichtung aufweisen, die zum Anpassen eines Fluidstroms durch den Kühler und/oder den Kühler-Bypass angeordnet ist. Bspw. kann in dem Kühler-Bypass eine Drossel angeordnet sein. Somit kann ebenfalls ein Rekuperieren ermöglicht werden, wenn die Fluidparameter des Arbeitsfluids stromabwärts der Expansionsmaschine noch höher als Umgebungsniveau sind.

In einer weiteren Ausführungsvariante weist die Abwärmenutzungseinrichtung einen Wärmeübertrager, vorzugsweise einen Verdampfer oder einen Vorwärmer, einer Wärmepumpe (z. B einer Fahrzeugklimaanlage) der Vorrichtung auf, wobei der Wärmeübertrager vorzugsweise zum thermischen Koppeln mit einer Fluidleitung (z. B. direkt) stromaufwärts des Kühlers angeordnet ist. Beispielsweise kann eine Ventilvorrichtung umfasst sein, die zum Anpassen eines Fluidstroms durch den Kühler und/oder den Wärmeübertrager angeordnet ist. Somit kann ebenfalls ein Rekuperieren ermöglicht werden, wenn die Fluidparameter des Arbeitsfluids stromabwärts der Expansionsmaschine noch höher als Umgebungsniveau sind.

In einer Weiterbildung weist die Abwärmenutzungseinrichtung eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die Ventilvorrichtung in Abhängigkeit von einem Fluidparameter (z. B. Temperatur, Druck und/oder Massenstrom) eines Arbeitsfluids der Abwärmenutzungseinrichtung, vorzugsweise (z. B. direkt) stromaufwärts und/oder (z. B. direkt) stromabwärts des Kühlers, zu betätigen.

In einem Ausführungsbeispiel ist die elektrische Antriebseinheit als eine elektrische Zentralantriebseinheit ausgeführt. Vorzugsweise kann die Dauerbremsvorrichtung direkt trieblich mit der elektrischen Zentralantriebseinheit, einem Getriebe der Vorrichtung oder einem Rad der Vorrichtung verbunden sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die elektrische Antriebseinheit als ein elektrischer Raddirektantrieb (z. B. Radnabenmotor) ausgeführt. Vorzugsweise kann die Dauerbremsvorrichtung direkt trieblich mit dem Raddirektantrieb oder einem Rad der Vorrichtung verbunden sein.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die elektrische Antriebseinheit als ein radnaher elektrischer Einzelradantrieb ausgeführt. Vorzugsweise kann die Dauerbremsvorrichtung direkt trieblich mit dem radnahen elektrischen Einzelradantrieb, einem Getriebe, vorzugsweise einem Planentengetriebe, der Vorrichtung oder einem Rad der Vorrichtung verbunden sein.

In einer Ausführungsform weist die Abwärmenutzungseinrichtung Wasser, ein Wasser-Glykol- Gemisch, ein organisches Fluid, ein anorganisches Fluid und/oder ein Alkohol als Arbeitsfluid auf.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Abwärmenutzungseinrichtung dazu ausgebildet, eine mittels der Expansionsmaschine zurückgewonnene Energie elektrisch und/oder mechanisch zu speichern (z. B. Schwungradspeicher oder Batterie) und/oder (z. B. direkt oder indirekt) in ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs einzuspeisen.

In einer Ausführungsvariante ist die Abwärmenutzungseinrichtung mit oder ohne Arbeitsfluid- Phasenumwandlung betreibbar.

In einer weiteren Ausführungsvariante weist die Abwärmenutzungseinrichtung eine Fördervorrichtung, vorzugsweise eine Pumpe oder einen Verdichter, auf. Vorzugsweise kann die Fördervorrichtung stromaufwärts von der Expansionsmaschine angeordnet sein, wobei z. B. die Fördervorrichtung trieblich mit der Expansionsmaschine gekoppelt sein kann.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Abwärmenutzungseinrichtung zusätzlich mit einer Brennkraftmaschine zur Energierückgewinnung aus einer Abwärme z. B. aus einem Kühlmittel und/oder einem Abgas der Brennkraftmaschine verbunden (z. B. mittels eines weiteren Wärmeübertragers). Alternativ oder zusätzlich kann die Abwärmenutzungseinrichtung zusätzlich mit einer Energieversorgungseinrichtung (z. B. Batterie, Stromwandler (insb. DC- DC-Wandler), Stromverteiler und/oder Leistungselektronik), die die elektrische Antriebseinheit mit elektrischer Energie versorgt, zur Energierückgewinnung aus einer Abwärme der Energieversorgungseinrichtung verbunden sein (z. B. mittels eines weiteren Wärmeübertragers). Alternativ oder zusätzlich kann die Abwärmenutzungseinrichtung zusätzlich mit der elektrischen Antriebseinheit zur Energierückgewinnung aus einer Abwärme der elektrischen Antriebseinheit verbunden sein (z. B. mittels eines weiteren Wärmeübertragers).

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug (z. B. reines Elektro-Kraftfahrzeug oder Hybrid-Kraftfahrzeug), vorzugsweise Nutzfahrzeug (z. B. Lastkraftwagen oder Omnibus), offenbart. Das Kraftfahrzeug weist eine Vorrichtung wie hierin offenbart auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Energierückgewinnung in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, vorzugsweise wie hierin offenbart, offenbart. Das Kraftfahrzeug weist eine als ein hydrodynamischer Retarder ausgebildete Dauerbremsvorrichtung und eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einer Expansionsmaschine auf. Das Verfahren weist ein Bremsen des Kraftfahrzeugs mittels der Dauerbremsvorrichtung und ein Antreiben der Expansionsmaschine mittels einer Abwärme der Dauerbremsvorrichtung auf.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner ein Verdampfen oder Erwärmen eines (z. B. flüssigen oder gasförmigen) Arbeitsfluids in oder außerhalb der Dauerbremsvorrichtung mittels der Abwärme der Dauerbremsvorrichtung und Zuführen des Arbeitsfluids zu der Expansionsmaschine auf.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ein Umgehen der Expansionsmaschine mittels eines Bypasses, wenn ein Betriebsparameter (z. B. Drehzahl) der Expansionsmaschine und/oder ein Fluidparameter (z. B. Druck, Temperatur und/oder Massenstrom) eines Arbeitsfluids einen vorbestimmten Wert überschreitet, auf, vorzugsweise ferner mit Drosseln des Arbeitsfluids beim Umgehen der Expansionsmaschine.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ein Speichern von elektrischer und/oder mechanischer Energie, die aus dem Antreiben der Expansionsmaschine gewonnen wurde, auf.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ein Rekuperieren von Wärmeenergie aus einem Arbeitsfluidstrom stromabwärts der Expansionsmaschine auf.

Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Figuren 1-7 schematische Ansichten teilweise unterschiedlicher elektrischer Antriebsstränge eines Kraftfahrzeugs mit unterschiedlichen Abwärmenutzungseinrichtungen.

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.

Die Figuren 1 bis 7 zeigen elektrische Antriebsstränge 10, die jeweils mit einer Abwärmenutzungseinrichtung 12 verbunden sind. Die elektrischen Antriebsstränge 10 können in einem Kraftfahrzeug zum Antreiben des Kraftfahrzeugs umfasst sein. Bevorzugt kann das Kraftfahrzeug als ein Nutzfahrzeug, zum Beispiel ein Lastkraftwagen oder ein Omnibus, ausgeführt sein.

Die Figur 1 zeigt einen elektrischen Antriebsstrang 10. Der elektrische Antriebsstrang 10 weist beispielsweise eine Energieversorgungseinrichtung 14, eine elektrische Antriebseinheit 16, ein Getriebe 18, eine Dauerbremsvorrichtung 20, ein Differentialgetriebe 22 und Räder 24 auf.

Die Energieversorgungseinrichtung 14 kann alle Komponenten aufweisen, die zum Versorgen der elektrischen Antriebseinheit 16 mit elektrischer Energie erforderlich sind. Beispielsweise kann die Energieversorgungseinrichtung 14 eine Ladevorrichtung, einen elektrischen Energiespeicher, einen Stromwandler (zum Beispiel DC-DC-Wandler), einen Stromverteiler, eine Leistungselektronik und/oder eine Brennstoffzellenvorrichtung aufweisen.

Die elektrische Antriebseinheit 16 wird von der Energieversorgungseinrichtung 14 mit elektrischem Strom versorgt. Die elektrische Antriebseinheit 16 ist als eine elektrische Zentralantriebseinheit ausgeführt. Vorzugsweise kann die elektrische Antriebseinheit 16 als ein Längsmotor angeordnet sein. Die elektrische Antriebseinheit 16 ist trieblich mit dem Getriebe 18 und der Dauerbremsvorrichtung 20 verbunden.

Es ist möglich, dass der elektrische Antriebsstrang 10 Teil eines Hybridantriebsstrangs ist, der zusätzlich eine Brennkraftmaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs aufweist.

Das Getriebe 18 kann beispielsweise je nach Ausführung der elektrischen Antriebseinheit 16 optional sein. Das Getriebe 18 kann beispielsweise als ein Untersetzungsgetriebe und/oder ein automatisches Schaltgetriebe ausgeführt sein. Die Dauerbremsvorrichtung 20 ist als ein hydrodynamischer Retarder bzw. eine hydrodynamische Verzögerungsbremse ausgeführt. Die Dauerbremsvorrichtung 20 kann einen Fluidkreislauf 21 (nur ausschnittsweise dargestellt) aufweisen. Im Fluidkreislauf 21 kann ein Arbeitsfluid, z. B. Öl, Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch zirkulieren, wenn die Dauerbremsvorrichtung 20 aktiviert ist. Es ist möglich, dass eine Pumpe und optional ein Kühler in dem Fluidkreislauf 21 integriert ist.

Die Dauerbremsvorrichtung 20 kann ferner beispielsweise einen Rotor, der mit dem elektrischen Antriebsstrang 10 trieblich verbunden oder verbindbar ist, und einen feststehenden Stator aufweisen. Die Dauerbremsvorrichtung 20 kann zum Bremsen des Kraftfahrzeugs dadurch aktiviert werden, dass das Arbeitsfluid mittels des Fluidkreislaufs 21 zu der Dauerbremsvorrichtung 20 geleitet wird. Durch Reibung des Arbeitsfluids beim Durchströmen der Dauerbremsvorrichtung 20 wird Bewegungsenergie des Rotors in Wärme umgewandelt. Die Temperatur und die Enthalpie des Arbeitsfluids wird erhöht. Der elektrische Antriebsstrang 10 wird abgebremst. Die Dauerbremsvorrichtung 20 kann das Prinzip der durch die entstehende Reibung mit steigender Temperatur steigenden Viskosität nutzen. Die Bremswirkung der Dauerbremsvorrichtung 20 kann von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig sein.

Die Dauerbremsvorrichtung 20 ist an einer geeigneten Position im elektrischen Antriebsstrang 10 zum Bewirken einer Bremsleistung integriert. Die Dauerbremsvorrichtung 20 kann direkt oder indirekt, insbesondere abhängig vom verwendeten Antriebskonzept, mit der elektrischen Antriebseinheit 16 trieblich gekoppelt sein. Die Dauerbremsvorrichtung 20 kann beispielsweise zumindest teilweise in das Getriebe 18 integriert sein bzw. direkt trieblich mit dem Getriebe 18 verbunden oder verbindbar sein.

Im in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dauerbremsvorrichtung 20 trieblich zwischen dem Getriebe 18 und dem Differentialgetriebe 22 angeordnet. Eine Welle 26 kann die Dauerbremsvorrichtung 20 trieblich mit dem Differentialgetriebe 22 verbinden. Die Welle 26 kann zweckmäßig als eine Gelenkwelle ausgeführt sein. Es ist möglich, dass die Dauerbremsvorrichtung 20 beispielsweise zumindest teilweise in der elektrischen Antriebseinheit 16, dem Differentialgetriebe 22 oder den Rädern 24 integriert bzw. direkt trieblich mit diesen verbunden ist. Es ist auch möglich, dass die Dauerbremsvorrichtung 20 im elektrischen Antriebstrang 10 zwischengeschaltet oder nebengeschaltet ist.

Das Differentialgetriebe 22 treibt mittels Radwellen 28 die Räder 24 an. Die Abwärmenutzungseinrichtung 12 ist dazu ausgebildet, aus beim Bremsen der hydrodynamischen Dauerbremsvorrichtung 20 entstehender Abwärme nutzbare Energie (zum Beispiel elektrischer Energie oder mechanische Energie) zurückzugewinnen.

Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 realisiert die Abwärmenutzungseinrichtung 12 einen Clausius-Rankine-Kreisprozess. Das Arbeitsfluid der Abwärmenutzungseinrichtung 12 wird beim Zirkulieren einer Phasenumwandlung unterzogen.

Die Abwärmenutzungseinrichtung 12 weist einen Fluidkreislauf 30 mit einer Fördervorrichtung 32, einem Wärmeübertrager 34, einer Expansionsmaschine 36 und einem Kühler 38 auf. Die Fördervorrichtung 32 ist stromabwärts des Kühlers 38 angeordnet. Der Wärmeübertrager 34 ist stromabwärts der Fördervorrichtung 32 angeordnet. Die Expansionsmaschine 36 ist stromabwärts des Wärmeübertragers 34 angeordnet. Der Kühler 38 ist stromabwärts der Expansionsmaschine 36 angeordnet.

Die Fördervorrichtung 32 fördert ein im Fluidkreislauf 30 zirkulierendes Arbeitsfluid. Das Arbeitsfluid kann beispielsweise Wasser, ein Wasser-Glykol-Gemisch, ein organisches Fluid, ein anorganisches Fluid oderein Alkohol sein oderaufweisen. Die Fördervorrichtung 32 fördert das Arbeitsfluid von dem Kühler 38 zu dem Wärmeübertrager 34. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist die Fördervorrichtung 32 als eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsfluids im flüssigen Aggregatzustand ausgeführt.

Der Wärmeübertrager 34 ist in der Dauerbremsvorrichtung 20 integriert. Der Wärmeübertrager 34 überträgt die beim Bremsen entstehende Abwärme des Arbeitsfluids des Fluidkreislaufes 21 in der Dauerbremsvorrichtung 20 auf das Arbeitsfluid des Fluidkreislaufes 30 der Abwärmenutzungseinrichtung 12. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist der Wärmeübertrager 34 als ein in der Dauerbremsvorrichtung 20 integrierter Verdampfer ausgeführt. Der Verdampfer nutzt die Abwärme des Arbeitsfluids des Fluidkreislaufes 21 zum Erwärmen und Verdampfen des Arbeitsfluids des Fluidkreislaufes 30 der Abwärmenutzungseinrichtung 12. Eine Enthalpie des Arbeitsfluids der

Abwärmenutzungseinrichtung 12 wird erhöht. Das Arbeitsfluid der

Abwärmenutzungseinrichtung 12 verlässt die Dauerbremsvorrichtung 20 im gasförmigen Zustand, zum Beispiel in Form von Nassdampf oder überhitztem Dampf.

In der Expansionsmaschine 36 wird die innere Energie des Arbeitsfluids durch Entspannen des Arbeitsfluids abgebaut und dabei teilweise in mechanische Energie umgewandelt. Dadurch kann beispielsweise ein Ausgabeelement, wie eine Abtriebswelle, der Expansionsmaschine 36 angetrieben werden. Die Expansionsmaschine 36 kann beispielsweise als eine Turbine (wie in Figur 1 dargestellt), eine Kolbenmaschine oder ein Scroll-Expander ausgeführt sein.

Das Ausgabeelemente der Expansionsmaschine 36 können beispielsweise mit einem mechanischen Energiespeicher, zum Beispiel einem mechanischen Schwungradspeicher, trieblich verbunden sein, um die zurückgewonnene mechanische Energie zwischenzuspeichern. Zu einem späteren Zeitpunkt kann diese mechanische Energie beispielsweise in den elektrischen Antriebsstrang 10 eingekoppelt und zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Die Kopplung kann beispielsweise im Bereich der elektrischen Antriebseinheit 16, des Getriebes 18, der Welle 26, des Differentialgetriebe 22, der Radwelle 28/oder der Räder 24 erfolgen. Es ist auch möglich, dass das Ausgabeelement der Expansionsmaschine 36 trieblich mit der Fördervorrichtung 32 verbunden ist.

Die Ausgabeelemente der Expansionsmaschine 36 kann beispielsweise auch mit einem Generator trieblich verbunden sein, um elektrische Energie aus der zurückgewonnene mechanischen Energie zu gewinnen. Die elektrische Energie kann beispielsweise in einer Batterie (zum Beispiel der Energieversorgungseinrichtung 14) zwischengespeichert und/oder direkt in ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs eingespeist werden.

Im Kühler 38 wird das Arbeitsfluid abgekühlt. Der Kühler 38 kann mittels eines vorzugsweise elektrisch angetriebenen Lüfters gekühlt sein. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist der Kühler 38 als ein Kondensator ausgeführt. Der Kondensator kondensiert das Arbeitsfluid vollständig, sodass die Fördervorrichtung 32 das flüssige Arbeitsfluid wieder ansaugen kann.

Es ist möglich, dass die Abwärmenutzungseinrichtung 12 einen Bypass 40 aufweist. Der Bypass 40 umgeht die Expansionsmaschine 36. Der Bypass 40 zweigt von einer Fluidleitung des Fluidkreislaufes 30 ab, die den Wärmeübertrager 34 mit der Expansionsmaschine 36 verbindet. Der Bypass 40 mündet in eine Fluidleitung des Fluidkreislaufes 30, die die Expansionsmaschine 36 mit dem Kühler 38 verbindet.

Zum Anpassen eines Fluidstroms durch den Bypass 40 und die Expansionsmaschine 36 ist eine Ventileinrichtung 42 vorgesehen. Die Ventileinrichtung 42 kann eines oder mehrere Ventile aufweisen. Die Ventileinrichtung 42 kann im Bypass 40, an der Abzweigung des Bypasses von der Fluidleitung stromaufwärts der Expansionsmaschine 36 und/oder in der Fluidleitung stromaufwärts der Expansionsmaschine 36 angeordnet sein.

Der Bypass 40 kann vorzugsweise den Zweck haben, Arbeitsfluid, wenn nötig, umzuleiten, um einen maximalen Druck vor bzw. in der Expansionsmaschine 36 nicht zu überschreiten. Zum Steuern der Ventileinrichtung 42 kann eine Steuereinheit 44 vorgesehen sein. Die Steuereinheit 44 kann die Ventileinrichtung 42 in Abhängigkeit von mindestens einem Fluidparameter (z. B. Temperatur, Druck und/oder Massenstrom) des Arbeitsfluids der Abwärmenutzungseinrichtung 12 betätigen. Der mindestens eine Fluidparameter kann gemessen oder geschätzt sein. Der mindestens eine Fluidparameter kann sich zweckmäßig auf einen Zustand des Arbeitsfluids stromabwärts des Wärmeübertragers 34, stromaufwärts der Expansionsmaschine 36 und/oder stromabwärts der Expansionsmaschine 36 beziehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 44 die Ventileinrichtung bspw. in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter (z. B. Drehzahl) der Expansionsmaschine 36 betätigen.

Beispielsweise kann, wenn ein aktueller Wert eines Fluidparameters oder eines Betriebsparameters einen vorbestimmten Wert (z. B. Fluiddruck oder Drehzahl) überschreitet, die Steuereinheit 44 die Ventileinrichtung 42 zum zumindest teilweisen Umleiten des Arbeitsfluids durch den Bypass 40 betätigen. Beispielsweise kann, wenn ein aktueller Wert eines Fluidparameters oder eines Betriebsparameters einen vorbestimmten Wert (z. B. Fluiddruck oder Drehzahl) unterschreitet, die Steuereinheit 44 die Ventileinrichtung 42 zum zumindest teilweisen Schließen der Fluidverbindung durch den Bypass 40 betätigen.

Es ist möglich, dass eine Drossel 46 im Bypass 40 angeordnet ist. Die Drossel 46 kann das den Bypass 40 durchströmende Arbeitsfluid drosseln, z. B. isenthalp. Die Drossel 46 kann separat zu der Ventilvorrichtung 42 vorgesehen sein oder in einem Ventil der Ventileinrichtung 42 integriert sein.

Die Abwärmenutzungseinrichtung 12 kann optional ferner einen Zwischenwärmeübertrager 48 und eine Ventilvorrichtung 50 aufweisen.

Der Zwischenwärmeübertrager 48 kann Arbeitsfluid von stromaufwärts des Kühlers 38 thermisch mit Fluid stromabwärts des Kühlers 38 koppeln. Das Arbeitsfluid stromabwärts des Kühlers 38 kann somit vorgewärmt werden. Der Zwischenwärmeübertrager 48 kann Wärme vom Arbeitsfluid einer Fluidleitung stromaufwärts des Kühlers 38, die bspw. als ein Bypass stromaufwärts des Kühlers 38 angeordnet ist, auf das Arbeitsfluid in einer Fluidleitung stromabwärts des Kühlers 38, die bspw. als ein Bypass stromabwärts des Kühlers 38 angeordnet ist, übertragen. Der Zwischenwärmeübertrager 48 kann als ein Flüssigkeit- Flüssigkeit-Wärmeübertrager ausgeführt sein.

Die Ventilvorrichtung 50 ist zum Anpassen des Fluidstroms zu dem Kühler 38 und dem Zwischenwärmeübertrager 48 angeordnet. Die Ventilvorrichtung 50 kann hierfür beliebig angeordnet sein und bspw. mehrere Ventile aufweisen. Die Ventilvorrichtung 50 kann bspw. auch Rückschlagventile aufweisen.

Die Steuereinheit 44 kann die Ventilvorrichtung 50 in Abhängigkeit von mindestens einem aktuellen Fluidparameter des Arbeitsfluids (z. B. Temperatur) stromaufwärts und/oder stromabwärts des Kühlers 38 betätigen. Der Fluidparameter kann gemessen oder geschätzt sein.

Der Zwischenwärmeübertrager 48 kann zum Einsatz kommen, wenn ein Fluidparameter des Arbeitsfluids stromabwärts der Expansionsmaschine 36 und stromaufwärts des Kühlers 38 noch über einem Umgebungsniveau liegt, um ein weiteres Rekuperieren zu ermöglichen.

Die Figur 2 zeigt ein gegenüber der Figur 1 modifiziertes Ausführungsbeispiel. In Figur 2 ist statt des Zwischenwärmeübertragers 48 von Figur 1 ein Bypass 52 angeordnet.

Der Bypass 52 umgeht den Kühler 38. Im Bypass 52 kann eine Drossel 54 angeordnet sein. Die Drossel 54 führt zu vollständigen Kondensation des Arbeitsfluids. Die Steuereinheit 44 kann die Ventilvorrichtung 50 wiederum in Abhängigkeit von mindestens einem aktuellen Fluidparameter des Arbeitsfluids (z. B. Temperatur) stromaufwärts und/oder stromabwärts des Kühlers 38 betätigen, um den Bypass 52 zumindest teilweise zu durchfließen oder nicht.

Die Figur 3 zeigt ein gegenüber der Figur 2 modifiziertes Ausführungsbeispiel. In Figur 3 ist in dem Bypass 52 ein Wärmeübertrager 56 angeordnet. Der Wärmeübertrager 56 kann Teil einer Wärmepumpe 58 (nur abschnittsweise dargestellt) sein. Der Wärmeübertrager 56 kann bspw. als ein Verdampfer oder ein Vorwärmer der Wärmepumpe 58 ausgeführt sein. Mittels der Wärmepumpe 58 kann bspw. eine Klimatisierung des Kraftfahrzeugs vorgenommen werden. Es ist auch möglich, dass der Wärmeübertrager 56 bspw. in einer Fluidleitung angeordnet ist, die bspw. als ein Bypass stromaufwärts des Kühlers 38 angeordnet ist (siehe z. B. Figur 1) Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ermöglichen somit ein Rekuperieren von Wärmeenergie aus einem Arbeitsfluidstrom stromabwärts von der Expansionsmaschine 36.

Die Figur 4 zeigt ein gegenüber der Figur 1 modifiziertes Ausführungsbeispiel. In der Figur 1 ist der Fluidkreislauf 30 als Primärkreis ausgeführt, der durch die Dauerbremsvorrichtung 20 geführt ist. In Figur 4 ist der Fluidkreislauf 30 als ein Sekundärkreis ausgeführt, der separat zu der Dauerbremsvorrichtung 20 angeordnet ist. Der als Verdampfer ausgeführte Wärmeübertrager 34 zwischen dem Fluidkreislauf 21 und dem Fluidkreislauf 30 ist außerhalb der Dauerbremsvorrichtung 20 angeordnet.

Die Figur 5 zeigt ein gegenüber der Figur 1 modifiziertes Ausführungsbeispiel. In der Figur 1 realisiert die Abwärmenutzungseinrichtung 12 einen Clausius-Rankine-Kreisprozess (linksläufiger Kreisprozess). In der Figur 5 realisiert die Abwärmenutzungseinrichtung 12 hingegen einen Joule-Brayton-Kreisprozess (rechtsdrehender Kreisprozess).

Die Fördervorrichtung 32 ist als ein Verdichter ausgeführt. Die Expansionsmaschine 36 kann die Fördervorrichtung 32 direkt antreiben. Der Wärmeübertrager 34 ist dazu ausgebildet, die Abwärme des flüssigen Arbeitsfluids der Dauerbremsvorrichtung 20 auf das gasförmige Arbeitsfluid des Fluidkreislaufs 30 zu übertragen (Flüssigkeit-Gas-Wärmeübertrager). Es findet keine Phasenumwandlung des Arbeitsfluids statt. Der Wärmeübertrager 34 kann in der Dauerbremsvorrichtung 20 integriert sein, wie in Figur 5 dargestellt ist. In Anlehnung an Figur 4 ist es bspw. auch möglich, dass der Wärmeübertrager 34 extern der Dauerbremsvorrichtung 20 angeordnet ist. Der Kühler 38 ist als ein Gaskühler ausgeführt. Der optionale Zwischenwärmeübertrager 48 kann als ein Gas-zu-Gas-Wärmeübertrager ausgeführt sein. Das Arbeitsfluid ist im gesamten Fluidkreislauf 30 gasförmig.

Die Figur 6 zeigt ein gegenüber der Figur 1 modifiziertes Ausführungsbeispiel. Eine erste Antriebseinheit 16A und eine zweite Antriebseinheit 16B sind jeweils als radnahe Antriebseinheiten angeordnet. Die Antriebseinheiten 16A, 16B treiben jeweils direkt das jeweilige Rad 24 über das jeweilige Getriebe 18A, 18B an. Die Getriebe 18A, 18B sind zweckmäßig als Planetengetriebe ausgeführt. Es sind zwei Dauerbremsvorrichtungen 20A, 20B mit jeweils einem eigenen Wärmeübertrager 34 vorgesehen. Die Dauerbremsvorrichtungen 20A, 20B können bspw. direkt trieblich mit der jeweiligen Antriebseinheit 16A oder 16B, dem jeweiligen Getriebe 18A oder 18B oder der jeweiligen Radnabe eines der Räder 24 verbunden sein bzw. in diese integriert sein. Die Figur 7 zeigt ein gegenüber der Figur 6 modifiziertes Ausführungsbeispiel. Es ist kein (Untersetzungs-) Getriebe zwischen den Antriebseinheiten 16A, 16B und den Räder 24 angeordnet. Die Antriebseinheiten 16A, 16B treiben die Räder 24 direkt an, z. B. in Form von Radnabenantriebseinheiten. Die Dauerbremsvorrichtungen 20A, 20B können bspw. direkt trieblich mit der jeweiligen Antriebseinheit 16A oder 16B oder der jeweiligen Radnabe eines der Räder 24 verbunden sein bzw. in diese integriert sein.

Die einzelnen Merkmale der in den Figuren 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele können beliebig miteinander kombiniert werden, solange daraus keine technischen Widersprüche erwachsen. Beispielsweise können die Ausführungsbeispiele der Figuren 4 und 5 alternativ zu dem Zwischenwärmeübertrager 48 beispielsweise den Bypass 52 aufweisen (siehe Figuren 2 und 3), z. B. mit dem Wärmeübertrager 56. Beispielsweise können die Ausführungsbeispiele der Figuren 6 und 7 alternativ zu der Clausius-Rankine-Abwärmenutzungseinrichtung 12 eine Joule-Brayton Abwärmenutzungseinrichtung 21 aufweisen (siehe z. B. Figur 5). Beispielsweise können die Ausführungsbeispiele der Figuren 6 und 7 die Wärmeübertrager 34 auch extern der Dauerbremsvorrichtungen 20A, 20B aufweisen (siehe z. B. Figur 4). Beispielsweise können die Ausführungsbeispiele der Figuren 6 und 7 zusätzlich den Zwischenwärmeübertrager 48, die Ventilvorrichtung 50, den Bypass 52, die Drossel 54 und/oder den Wärmeübertrager 56 aufweisen.

Es ist auch möglich, dass die Abwärmenutzungseinrichtung 12 (z. B. einer der Figuren 1 bis 7) zusätzliche Abwärme von einem anderen System als der Dauerbremsvorrichtung 20 bezieht, z. B. mittels eines zusätzlichen Wärmeübertragers, der im Fluidkreislauf 30 angeordnet ist, zur thermischen Kopplung. Z. B. kann die Abwärmenutzungseinrichtung 12 mit einem Kühlkreislauf oder einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine thermisch gekoppelt sein, wenn der elektrische Antriebsstrang 10 als Teil eines Hybridantriebsstrangs konzipiert ist. Die Abwärmenutzungseinrichtung 12 kann auch mit einem Kühlkreislauf der Energieversorgungseinrichtung 14 (z. B. Batterie, Stromwandler (insb. DC-DC-Wandler), Stromverteiler, Leistungselektronik) thermisch gekoppelt sein. Die

Abwärmenutzungseinrichtung 12 kann auch mit einem Kühlkreislauf der elektrischen Antriebseinheit 16 zur Energierückgewinnung aus einer Abwärme der elektrischen Antriebseinheit 16 thermisch gekoppelt sein.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und beispielsweise unabhängig von den Merkmalen bezüglich des Vorhandenseins und/oder der Konfiguration der elektrischen Antriebseinheit, der Dauerbremsvorrichtung und/oder der Abwärmenutzungseinrichtung des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart.

Bezugszeichenliste

10 Elektrischer Antriebsstrang

12 Abwärmenutzungseinrichtung

14 Energieversorgungseinrichtung

16 Elektrische Antriebseinheit

16A Erste elektrische Antriebseinheit

16B Zweite elektrische Antriebseinheit

18 Getriebe

18A Erstes Getriebe

18B Zweites Getriebe

20 Dauerbremsvorrichtung

20A Erste Dauerbremsvorrichtung

20B Zweite Dauerbremsvorrichtung

21 Fluidkreislauf

22 Differentialgetriebe

24 Rad

26 Welle

28 Radwelle

30 Fluidkreislauf

32 Fördervorrichtung

34 Wärmeübertrager

36 Expansionsmaschine

38 Kühler

40 Bypass

42 Ventileinrichtung

44 Steuereinheit

46 Drossel

48 Zwischenwärmeübertrager / Vorwärmer

50 Ventilvorrichtung

52 Bypass

54 Drossel

56 Wärmeübertrager

58 Wärmepumpe