CN101011933A - 具有低温回路的混合动力驱动单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于汽车的混合动力驱动单元(10)，其包括一个内燃机(12)以及至少一个可选择发动机或者发电机模式运行的电机(14)，具有用于压缩输送到内燃机(12)的燃烧用空气的增压空气压缩机(22)和用于冷却燃烧用空气的增压空气冷却器(32)。依据本发明，混合动力驱动单元(10)具有输送液态冷却剂的低温冷却回路(38)，它独立于内燃机(12)的高温冷却回路构成并具有用于冷却冷却剂的换热器(42)，其中，低温冷却回路(38)包括增压空气冷却器(32)以及电机(14)和/或者配属于电机(14)的电子部件(34、36)。

Description

具有低温回路的混合动力驱动单元
技术领域
本发明涉及一种汽车的混合动力驱动单元，该混合动力驱动单元作为动力装置包括一个内燃机以及附加至少一个可选择切换到发动机模式或者发电机模式运行的电机。
背景技术
混合动力汽车的概念表示至少两个驱动单元相互组合的汽车，这两个驱动单元采用不同的能量源产生汽车驱动的功率。特别具有优点的是，通过燃烧汽油或者柴油燃料产生动能的内燃机和将电能转换为动能的电机的特性相互补充。目前的混合动力汽车因此主要采用内燃机与一个或者多个电机的组合。
有两种不同的混合动力方案。在所谓的串联混合动力方案中，汽车驱动仅通过电机进行，而内燃机则通过单独的发电机产生用于供给电机的蓄能器充电或用于直接供给电机的电流。而与此相反目前至少在轿车应用上则优选并联混合动力方案，其中，汽车既可通过内燃机也可通过电机进行驱动。
在这种并联混合动力方案中所使用的电机可以选择发动机或者发电机模式运行。例如像电机在发动机模式运行中，典型地在较高的汽车负荷运行点上辅助地接入内燃机(助力运行)。此外电机可以承担内燃机的启动电机的功能。而电机在内燃机行驶驱动中主要以发电机模式运行，其中，电机这样产生的电功率例如用于蓄能器的充电和/或者整车电源的供电。在采用一个以上电机的功率分流混合动力方案的情况下，一个电机的发电机模式运行也可以用于供给其他电机。此外，一般情况下至少一部分制动功率通过以发电机模式运行的电机施加(回收)，其中，一部分机械损耗能量被转换为电能。在此方面，混合动力方案中一般具有的优点是，电机与常规的爪极式发电机相比以更高的效率工作。
电驱动单元的各部件包括电机本身、大功率电子装置、逆变器、至少一个蓄能器(特别是蓄电池或者电容器蓄能器)和这类装置。由于其转换的电功率和与此相关的损耗热很高，这些部件需要提高冷却。一般情况下从5KW的电功率起典型地进行水冷冷却。因为电气部件-特别是大功率电子装置-对温度极为敏感，所以在这里不得超过允许的温度阈值，否则会出现不可逆转的损坏或者明显缩短使用寿命。强温度变化负荷同样会缩短部件的使用寿命。因此值得追求的是具有足够低的温度和外加温度波动微小的冷却供给。
混合动力驱动目前采用的大功率电子装置所能承受的典型的水始流温度约为60-80℃。因此这些部件直接接入内燃机的冷却回路中是极其危险的，因为在那里取决于恒温器设计、汽车冷却器规格和内连的具体位置，冷却剂温度达到80-120℃。即使在冷却剂测针直接处于汽车冷却器出口后面的情况下，峰值温度仍达到80℃以上，尽管该部位上的平均水温明显降低。在水测针处于汽车冷却器后面时的问题还有由根据行车特性进行的恒温调节引起的很大的水温波动。
例如较早的专利申请DE 10 2005 003 881.6公开了一种混合动力驱动装置的冷却回路设置。那里所介绍的冷却回路既包括混合动力驱动装置的电子部件，也包括—并联线路中的—内燃机。通过将可控阀门设置在包括电子部件的分冷却回路的连接点上，实现了与发动机冷却回路的部分分离，并因此削弱发动机冷却回路相当高的冷却剂温度对电子部件的直接影响。
在增压内燃机，也就是其燃烧用空气特别是利用废气运行的增压空气压缩机压缩的发动机情况下，通常使用增压空气冷却。为此目的，主要使用设置在汽车前端区域内的空气—空气冷却器，因为这种类型的冷却器成本很低。这种类型冷却器的缺点是冷却效率有限、对车速的依赖性很强、占用空间大和由于要求远离发动机而连接增压空气冷却器的管线相当长，从而在动力性和冷却的响应特性参数方面不足。在此方面具有优点但明显增加成本的是水冷增压空气冷却器，它的冷却效率高、明显降低对结构空间的需求并因此至少可以利用较短的连接管线直接安装在内燃机上。因此在动力性非常好的情况下可以达到很高的冷却功率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种混合动力驱动单元，该混合动力驱动单元包括增压的内燃机以及至少一个电机，其中，电机以及配属于该电机的电子部件可靠地不受损坏性温度以及强温度波动的影响。
该目的通过具有权利要求1特征的混合动力驱动单元得以实现。该混合动力驱动单元依据本发明具有一个低温冷却回路，它输送液态冷却介质并具有用于冷却冷却剂的换热器。依据本发明的低温冷却回路在冷却上一方面包括冷却输送到内燃机的燃烧用空气的增压空气冷却器，另一方面也包括电机和/或者配属于该电机的电子部件。通过依据本发明的低温冷却回路，这些与内燃机相比在比较弱的冷却功率下要求比较低的冷却水平的驱动单元部件的冷却合并在独立于发动机冷却回路(具有比较高的绝对温度和很大的温度波动)的自身冷却回路中。按照这种方式，一方面实现了可靠地保证电子部件足够低的温度水平，而另一方面避免如在常用发动机冷却回路中出现的那种强温度波动。按照这种方式有效防止部件的热损坏及其加速老化。
依据本发明的低温冷却回路适合于包括并因此冷却混合动力驱动装置全部需要冷却的电子部件。属于此的除了电机本身外，还有配属于该电机的电子部件，例如像用于控制和转换电机的发动机和发电机运行模式的大功率电子装置、DC/DC转换器、脉冲逆变器和/或者一个或者多个最好作为电容器蓄能器构成的蓄能器。在此方面，这些部件可在冷却剂的流动方向上以任意顺序设置。
原则上用于冷却低温冷却回路冷却剂的换热器可以是水冷基础上的水-水换热器，也可以是空气冷却冷却介质的空气-水换热器。在这种情况下，优选换热器为空气-水换热器，因为这种换热器成本更低并同时对存在的要求提供足够的冷却效率。
依据一种优选的设计方案，低温冷却回路这样设计，使至少70％的汽车运行期间不超过最大80℃的冷却剂温度。这种最低冷却功率足够使目前典型构成的大功率电子装置得到保护。更加具有优点的是，在至少80％，特别是至少90％，最好至少95％的汽车运行期间不超过该冷却剂温度。根据所使用的部件敏感性，在该运行期间所要遵守的冷却剂温度阈值可以预先规定为最大70℃，特别是最大60℃。专业人员熟悉为遵守这种阈值所要求的冷却功率设计。例如可以根据电子部件的电功率和热损耗调节用于冷却冷却剂的换热器的设置及其结构、冷却剂的体积、冷却剂泵的排量和/或者其他参数。
内燃机以传统方式集成在最好以水冷内燃机为基础的单独发动机冷却回路中。依据本发明一种优选的设计方案，发动机冷却回路和低温冷却回路通过一个最好在其流动上可控制或者可切换的串扰位置(bersprechstelle)相互连接。按照这种方式，可以更精确地例如通过较热冷却水的恒温混合遵守低温冷却回路中所要求的温度水平。此外，由此在必要时可以取消其单独的补充以及单独的补偿容器，由此使该系统成本特别低廉。
本发明的其他选设计方案来自于从属权利要求中所述的其他特征。
附图说明
下面借助附图所示的实施例对本发明进行详细说明。唯一附图示意示出依据本发明一种优选实施方式的依据本发明混合动力驱动单元的结构。
具体实施方式
附图中整体采用10标注出细节上没有进一步示出的混合动力汽车的并联混合动力驱动单元。汽车可选择或者同时通过常规内燃机12(汽油或者柴油发动机)以及电机14进行驱动，它们两个作用于相同的轴，特别是内燃机12的曲轴。电机14可以按照不同方式连接在发动机曲轴上。例如，电机14可以直接或者通过离合器与曲轴连接或者通过皮带传动机构，例如齿形皮带或者变速器或者其他传力连接和/或者形状配合连接与曲轴连接。内燃机12和电机14通过变速器16(自动或者手动变速器)与所示的传动系18连接。内燃机12或电机14的传动轴与变速器16的分离通过离合器20进行，该离合器(无论如何都是在手动变速器16的情况下)可以通过驾驶员操作未示出的离合器踏板分开并在不操作时闭合。此外可以选择在内燃机12与电机14之间设置一个附加的离合器，它可以使内燃机12与传动系18或电机14分离，由此原则上产生的优点是，在断开内燃机12时无需同时拖带其机械摩擦阻力。附加离合器因此虽然起到额外节省燃料的作用，但却增加了成本、设计和结构开支。在本发明的框架内，不再考虑内燃机12与电机14之间的附加离合器。
内燃机12由增压空气压缩机22，特别是废气涡轮增压器供给压缩的增压空气。为此空气通过进气管24吸入并通过设置在进气管24中的压缩机26进行压缩。压缩机26通过增压空气压缩机22的废气涡轮机28驱动，它设置在排气管30中并通过内燃机12的废气驱动。通过压缩加热的吸入空气借助于设置在排气管30中的水冷增压空气冷却器32冷却。未示出用于冷却内燃机12的发动机冷却回路，发动机冷却回路利用一般情况下通过空气-水结构的换热器进行冷却的液状冷却剂运行。
例如为交流异步电机或者交流同步电机的电机14可以有选择地在发动机模式运行时以正或者在发电机模式运行时以负电机转矩运行。在发动机模式运行时，电机14在消耗电能(电流)的情况下单独或者支持内燃机12的内燃机转矩地驱动传动系18。电机14从例如可以是蓄电池和/或者优选为电容器蓄能器的蓄能器34中获得这种电能(电流)。而相反在发电机模式运行时，电机14通过内燃机12或在离合器20接合时汽车的推进运行驱动并将动能转换为用于补充蓄能器34的电能。电机14在发动机模式运行与发电机模式运行之间通过大功率电子装置36进行转换，该大功率电子装置同时可以进行直流与交流之间所需的变频。配属于电机14的其他未示出的电子部件可以包括DC/DC转换器、脉冲逆变器和这类装置。
依据所示的方案，汽车驱动主要通过由作为启动发电机构成的电机14启动的内燃机12完成。电机14此外承担助力功能，方法是它在高负荷状态下，特别是在汽车加速的情况下辅助地接入汽车驱动装置(发动机模式运行)。另一方面，电机14在汽车存在动能过剩的行驶状态下具有所谓的回收功能，方法是它在发电机模式运行中将运动能转换为用于蓄能器34充电的动能并由此同时提供制动转矩。在这方面特别适用的电机14具有最高50kW，特别是最高30kW，最好处于15-25kW范围内，优选约20kW的功率。
如开头已经介绍的那样，由于电子部件的电热损耗存在对电机14以及配属于其的电子部件的冷却需求。在此方面，特别是对具有5kW或者更高电功率的这些部件进行冷却。为此目的，依据本发明设置低温冷却回路38，在该低温冷却回路内借助于电动或者机械驱动的冷却剂泵40输送一般情况下为具有添加物的水的液态冷却剂。低温冷却回路38除了增压空气冷却器32外还包括大功率电子装置36以及电机14。但同样也可以与本实施例不同，蓄能器34通过低温冷却回路38进行冷却。低温冷却回路38的冷却剂通过换热器42进行冷却，该换热器优选为一种设置在汽车前端区域内的空气-水冷却器。冷却剂的体积以及冷却剂泵40的泵功率、换热器42在汽车中的结构和设置和/或者低温冷却回路38的其他参数最好这样选择，使至少95％的运行期间至少在特别是大功率电子装置36这种温度敏感的部件区域内不超过60℃的最大冷却剂温度。与此相反未示出的发动机冷却回路80中典型的冷却剂温度为80-120℃。通过将电子部件的冷却与发动机冷却分离，由此不仅可以保持更低的冷却剂温度水平，而且也可以将导致缩短使用寿命的交变温度负荷的温度波动保持在很低程度上。
在所示的实施例中，与箭头所示的冷却剂输送方向相应通过低温冷却回路38冷却的部件的顺序首先是大功率电子装置36，然后是电机14，并且最后是增压空气冷却器32，而各部件的顺序以及冷却剂泵40的输送方向也可以不同构成。但优选对温度最敏感的部件设置在低温冷却回路38的最冷部位上，它一般情况下靠近换热器42的出口。此外，可以设想低温冷却回路38借助于特别是可以控制的串扰位置连接在未示出的发动机冷却回路上。
附图标记列表
10  混合动力驱动单元
12  内燃机
14  电机
16  变速器
18  传动系
20  离合器
22  增压空气压缩机
24  进气管
26  压缩机
28  废气涡轮机
30  排气管
32  增压空气冷却器
34  蓄能器
36  大功率电子装置
38  低温冷却回路
40  冷却剂泵
42  换热器(冷却器)

Claims (8)

1.用于汽车的混合动力驱动单元(10)，其包括一个内燃机(12)以及至少一个可选择发动机或者发电机模式运行的电机(14)，具有用于压缩输送到内燃机(12)的燃烧用空气的增压空气压缩机(22)和用于冷却燃烧用空气的增压空气冷却器(32)，其特征在于一种输送液态冷却剂的低温冷却回路(38)，它具有用于冷却冷却剂的换热器(42)，其中，低温冷却回路(38)包括增压空气冷却器(32)以及电机(14)和/或者配属于电机(14)的电子部件(34、36)。
2.按权利要求1所述的混合动力驱动单元(10)，其特征在于，所述配属于至少一个电机(14)的电子部件包括一个大功率电子装置(36)和/或者一个DC/DC转换器和/或者一个脉冲逆变器和/或者至少一个蓄能器(34)，特别是电容器蓄能器。
3.按权利要求1或2所述的混合动力驱动单元(10)，其特征在于，所述用于冷却低温冷却回路(38)冷却剂的换热器(42)为空气-水换热器。
4.按前述权利要求之一所述的混合动力驱动单元(10)，其特征在于，所述低温冷却回路(38)这样设计，使在至少70％的汽车运行期间不超过最大80℃的冷却剂温度。
5.按权利要求4所述的混合动力驱动单元(10)，其特征在于，所述低温冷却回路(38)这样设计，使在至少80％，特别是至少90％，最好至少95％的汽车运行期间不超过最大80℃，特别是最大70℃，最好最大60℃的冷却剂温度。
6.按前述权利要求之一所述的混合动力驱动单元(10)，其特征在于，所述内燃机(12)集成在一个单独的发动机冷却回路中。
7.按权利要求6所述的混合动力驱动单元(10)，其特征在于，所述发动机冷却回路和低温冷却回路(38)通过一个串扰位置，特别是一个在其流动上可控制的串扰位置相互连接。
8.按前述权利要求之一所述的混合动力驱动单元(10)，其特征在于，所述低温冷却回路(38)具有一个冷却剂泵(40)。
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