CN109311376A - 用于车辆的电气轴驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆的轴驱动器，其包括布置在壳体中的至少一个电机、至少一个电力电子系统和至少一个传动装置，其中，第一壳体间壁位于至少一个电机和至少一个电力电子系统之间。另外的第二壳体间壁位于至少一个电机和至少一个传动装置之间。在此，第一壳体间壁由第一材料制成和/或第二壳体间壁由第二材料制成。

Description

用于车辆的电气轴驱动器

技术领域

本发明涉及一种用于电动车辆的轴驱动器，其包括电机、电力电子系统和传动装置。

背景技术

现今供应的具有电气驱动器的车辆（纯电动车辆、结合电气驱动和内燃机驱动的混合动力车辆或燃料电池车辆）与具有内燃机驱动器的标准车辆相比，由于高技术成本而较为昂贵。为了提高电气驱动器的市场接受度，并由此大量替代由内燃机驱动的车辆，就存在极大的成本压力。这种车辆的驱动单元包括电动马达，该电动马达通常通过传动装置与车轮相连接。此外，驱动单元具有带逆变器的电力电子系统，该电力电子系统或该逆变器为电动马达提供能量。此外，驱动单元具有能量存储器，该能量存储器通常设计为电池。

例如，DE 10 2011 076 523 A1公开了一种设备，其用于驱动具有电气轴驱动器的车辆。电机作为驱动器通过传动装置作为驱动器耦接，该传动装置包括中间传动装置和轴差速器。为了使轴驱动器的尺寸尽可能小，部件靠近轴安装在壳体中。

此外，例如从公开文献DE 10 2013 204 766 A1中已知一种电气车轴设备和车辆，特别是具有电气车轴设备的机动车。

电气车轴设备具有车轴，车轮能够安装在该车轴上。此外，电气车轴设备具有与车轴有效连接的传动装置和与该传动装置耦接的电动马达，该电动马达用于将扭矩传递到与车轴相连接的车轮上。

此外，电气车轴设备具有带逆变器的电力电子系统，该逆变器与电动马达电连接，以便向电动马达供应电能。

该电气车轴设备的部件布置在共同的壳体中，此外还具有共同的冷却回路，用于通过液体冷却介质为这些部件散热。

已经表明，在这种轴驱动器方案中，由于通过液体冷却介质冷却，不利的是，电力电子系统、电机和传动装置的液体冷却需要很高成本。整个冷却系统通常包括电气车轴设备的壳体中的冷却通道、用于将热量散发到环境中的热交换器、用于使冷却介质循环的泵、用于根据运行条件和环境条件控制冷却回路的控制元件以及用于连接冷却系统的各个部件的管道和软管。

出于散热要求，在紧凑型的轴驱动器方案中，只有电机和传动装置耦接。所需的电力电子系统没有集成到紧凑型的轴驱动器中，而是远离轴驱动器安装到车身上并通过电缆与轴驱动器相连接。

不利的是，驱动器散热的高成本以及在紧凑型驱动器结构形式中缺少电力电子系统的集成导致不能灵活应用的并且不是成本优化的轴驱动器构造。

发明内容

本发明的任务在于提供一种用于车辆的电气轴驱动器的简化的冷却方案，该冷却方案成本优化且重量优化地实施，并且以有利的方式照顾到电气轴驱动器的各个部件的不同散热要求。

具有权利要求1的特征的根据本发明的设备具有以下优点：提供用于车辆的电气轴驱动器的简化的冷却方案，该冷却方案成本优化且重量优化地实施。

根据本发明设置为，用于车辆的轴驱动器包括电机、电力电子系统和传动装置，其中，这些部件布置在壳体中，并且其中，第一壳体间壁位于电机和电力电子系统之间，并且其中，第二壳体间壁位于电机和传动装置之间，其中，第一壳体间壁由第一材料制成和/或第二壳体间壁由第二材料制成。有利地，本发明的基本思想在于，提供一种用于车辆的电气轴驱动器，其中，该电气轴驱动器的部件集中或彼此相邻地或在空间上尽可能彼此靠近地布置在壳体中，并且能够由空气冷却。通过在电气轴驱动单元的部件之间设置壳体的由不同材料制成的根据本发明的间壁，为这些需要不同散热要求和运行条件的部件创造了空间。

在此有利的是，由不同材料制成的间壁实现了对散热的有针对性的控制。由此可以实现对电气轴驱动器的部件的改良的且低成本的冷却，因为在电气轴驱动器及其部件上不必构造用于由液体冷却介质进行散热的装置。此外，有利的是，省略了液体冷却系统的额外的、在车辆中通常远离待冷却部件设置的部件，例如热交换器（用于将热量散发到环境中）、泵（用于循环冷却介质）、控制元件（用于根据运行条件和环境条件控制冷却回路）以及可能的管道和软管（例如用于连接冷却系统的各个组件）。

通过从属权利要求中所述的措施实现了独立权利要求中给出的设备的有利扩展方案。

有利的是，第一壳体间壁的第一材料M1是绝热的。通过将绝热材料M1用于第一壳体间壁，避免了由电机的废热造成对电力电子系统的不希望的加热。由此防止了由加热（热死，Hitzetod）导致的电力电子系统的加速老化或损坏。此外，额外的积极副作用是，避免了电机对电力电子系统造成不期望的污染。

有利的是，第二壳体间壁的第二材料M2具有非常高的导热性。若额外布置在至少一个电机和传动装置之间的第二壳体间壁由导热性非常高的材料M2制成，则优选使电机和传动装置之间的所期望的热交换成为可能。电机是一种高损耗的部件。电机和传动装置都是具有较高运行温度的部件。通过由前述材料M1和M2实施第一和第二壳体间壁，有利地阻止了朝向电力电子系统方向的热流，并反过来优选将热流引向传动装置方向。由此，作为具有较高运行温度和较高热容量的部件，传动装置被有针对性地加热并由此有利地利用为热缓冲器。

在电气轴驱动单元的有利扩展方案中，电气轴驱动单元的部件电力电子系统和传动装置相邻布置在共同的壳体中，并通过第三壳体间壁分隔开。通过在共同的壳体里，在电力电子系统和传动装置之间额外设置由第三材料M3制成的第三壳体间壁，创造了另外的封闭空间，这些部件由此彼此屏蔽。

有利的是，第三壳体间壁的第三材料M3是绝热的。通过将绝热材料M3用于第三壳体间壁，避免了由传动装置的废热造成的对电力电子系统不希望的加热。由此防止了由加热（热死）导致的电力电子系统的加速老化或损坏。此外，也避免了传动装置对电力电子系统造成不期望的污染。

此外，有利的是，第二壳体间壁的材料M2由铜或铜合金构成。使用铜作为导热性非常高的材料所具有的优点是，优选使电机和传动装置之间期待的热交换成为可能。其优点是，实现了通过电机的废热将传动装置更快地加热到其运行温度。

有利的是，电机和电力电子系统之间的第一壳体间壁实施有至少一个光滑表面，以便避免电机的废热对电力电子系统的不期望的加热。

此外，有利的是，电机和传动装置之间的第二壳体间壁实施有至少一个粗糙表面，以便通过电机的废热将传动装置优选更快地加热到该传动装置的运行温度。粗糙表面比光滑实施的表面具有更大的表面积，因此可以比光滑表面的情况更有效地放射热量。

在本发明的有利扩展方案中，电力电子系统和传动装置之间的第三壳体间壁实施有至少一个光滑表面，以避免传动装置的废热对电力电子系统的不期望的加热。

有利的是，电机和传动装置之间的第二壳体间壁实施有至少一个冷却片，以优选实现电机和传动装置之间的期望的更快的热交换。其优点是，通过电机的废热将传动装置更快地加热到其运行温度。

在本发明的有利的扩展方案中，电气轴驱动单元的壳体构造成能够被动散热。为了被动冷却，该壳体在其外部实施有粗糙表面。由此获得的优点是，改进了向环境中的热传递。

有利的是，壳体的外表面构造有一个或多个附加的冷却片以增加表面积。其优点是改进了向环境中的散热。此外，冷却片的优点在于，它们可以简单且低成本地在壳体上实现，例如通过壳体的浇铸。

有利的是，第二壳体间壁的冷却片设置在电机和传动装置之间或冷却片实施在壳体的外表面上，并具有粗糙表面，用于有利地改进向环境中的散热。

在本发明的有利扩展方案中，电气轴驱动单元的壳体构造为能够由冷却空气散热。由此带来的优点是，提供了用于车辆的电气轴驱动器的简化的冷却方案，附加地，该方案是成本优化且重量优化地实施。

此外，有利的是，电气轴驱动单元的壳体设置有开口，从而使得壳体的内部区域直接由冷却空气散热。由此同样带来的优点是，提供了用于车辆的电气轴驱动器的简化的冷却方案，附加地，该方案是成本优化且重量优化地实施，并且省去了液体冷却。

附图说明

技术人员可从以下示例性实施方式的描述中，通过参照附图了解本发明的其他特征和优点，但不应将这些实施方式解释为本发明的限制。

在附图中：

图1示出了具有电气驱动器的车辆的示意图，该电气驱动器的部件设计为独立的单元。

图2示出了根据本发明的第一实施方式的、用于车辆的电气轴驱动单元的示意图。

图3示出了根据本发明的另一实施方式的、用于车辆的电气轴驱动单元的示意图。

图4示出了根据本发明的另一实施方式的、用于车辆的电气轴驱动单元的示意图。

具体实施方式

所有附图仅示意性地示出了根据本发明的设备或其根据本发明的实施例的组件。特别是，距离和大小关系未在图中按比例示出。在各个图中，相应的元件用相同的附图标记表示。

图1示出了具有电气驱动单元11的车辆10的示意图，该电气驱动单元的驱动部件12、13、14实施为具有电气接口和机械接口的独立的单元。如前所述，车辆10（例如电动或混合动力车辆）的电气驱动单元例如具有电动马达12，该电动马达一般通过传动装置14与车轴23及其车轮26耦接。此外，驱动单元具有电力电子系统13。在此，该电力电子系统13具有逆变器，该逆变器电连接到电机，以便为其提供能量，或在制动过程中将产生的电能回馈到能量存储器24中。该能量存储器24通常实施为电池并且电连接到逆变器。电力电子系统13的逆变器的任务是将由能量存储器24通过直流连接电缆25提供的直流电压转换为用于通过交流连接电缆27向电机供电的交流电压。交流电压通常实施为具有至少3个交流电压的旋转场。借助电机12，通过对应的传动装置14驱动车辆10的车轴23，并将扭矩传递到车轴23的车轮26。这些部件全都实施为具有用于散热的热接口（在此未示出）以及电气接口的独立的单元。在电机12和电力电子系统13中产生的损耗能量通常通过液体冷却的冷却回路散发。典型地，传动装置14通过传动装置壳体被动地冷却。由于传动装置14具有非常高的效率，因而在此散发的功率损耗相对较低。电能存储器24通过空气冷却或通过单独的液体冷却回路散热，该冷却回路通过冷气循环利用车辆10的空调装置散热。

在图2所示的本发明的第一实施方式中，电气轴驱动单元11的部件12、13、14布置在共同的壳体15中。与图1相同的元件设置以相同的附图标记，并且不再详加说明。共同的壳体15由壳体间壁16、17分隔成封闭空间，部件12、13、14布置在这些空间中。

第一封闭空间由共同壳体15和第一壳体间壁16形成，并容纳电力电子系统13。为了电机12和电力电子系统13之间的绝热，第一壳体间壁16由绝热材料M1制成。与轴驱动器15的壳体的材料相比，该材料具有明显更差的导热性。由此实现了，尽管电力电子系统13和电机12在空间上紧密组装，由电机的废热对电力电子系统不会造成或只会造成不显著的加热。

为此，针对第一壳体壁16的绝热材料M1例如可以使用导热性差的金属合金、诸如蜂窝夹层的气室结构或导热性差的塑料。

由于电机12和电力电子系统13相邻布置，可以省略交流电连接电缆27并例如用简单的电气连接（如导电轨或导线架）代替。

在共同壳体15的剩余空间中，由第二壳体间壁17形成两个封闭空间，该封闭空间分别一方面容纳电机12和另一方面容纳传动装置14。为了电机12和传动装置14之间的热耦合，第二壳体间壁17由导热性非常高的材料M2制成。

由此，这两个部件电机12和传动装置14彼此热连接。其优点是，传动装置由电机的废热加热，从而更快地达到其运行温度。同样，传动装置14的大的热质量可以吸收电机12的热峰值负载，从而保护电机免受热过载。

为了电机12与传动装置14的热连接，将导热系数非常好的材料M2用于第二壳体壁17，例如使用导热性非常好的金属材料铜或铝。

在图3所示的本发明的实施方式中，电气轴驱动单元11的部件12、13、14布置在共同的壳体15中。与图1相同的元件设置以相同的附图标记，并且不再详加说明。共同的壳体通过壳体间壁17、18分隔成封闭空间，部件12、13、14布置在这些空间中。

第一封闭空间由共同壳体15和壳体间壁17和18形成，该第一封闭空间容纳电机12和传动装置14。为了电机12和传动装置14之间的热耦合，壳体间壁17由导热性非常高的材料制成。

另一个封闭空间由共同壳体15和壳体间壁18形成，该另一封闭空间容纳电力电子系统13。为了传动装置14和电力电子系统13之间的绝热，壳体间壁18由绝热材料（M3）制成。与轴驱动器的壳体15的材料相比，该材料具有明显更差的导热性。由此实现了，尽管传动装置14和电力电子系统13组装在一起，由传动装置的废热对电力电子系统不会造成或只会造成不显著的加热。此外，避免了传动装置14对电力电子系统13造成不期望的污染。例如，可以为此使用导热性差的金属合金、诸如蜂窝夹层的气室结构或导热性差的塑料。由于电机12和电力电子系统13相邻设置，可以省略交流电连接电缆27，并例如用简单的电气连接（如导电轨或导线架）代替，在需要时使它们穿过传动装置14引导。能量存储器（在此未示出）在图3所示的实施例中布置在车辆10中的电气轴驱动单元11的壳体15的外部。通过将电气轴驱动器11的部件12、13、14设置在共同的壳体15中，有利地实现了具有电力电子系统13的高度集成的紧凑的、成本优化和重量优化的电气轴驱动器11。该电气轴驱动器11同样可以设置在轴附近，因此能够灵活应用。

图4示出了用于轴的紧凑且高度集成的电气轴驱动器11的示意图，该轴具有用于空气冷却轴驱动单元的装置。为此，共同壳体15配备有冷却片19，且冷却空气流21这样掠过该共同壳体，即，首先为电力电子系统13散热。在冷却空气流的继续流动中，为电气轴驱动器11的其他部件传动装置14和电机12散热。冷却片19和壳体15的剩余表面都可以配备有粗糙表面28，以改进向冷却空气21的热传递。在壳体内部，为了改进电机12和传动装置14之间的热传递，第二壳体间壁17可以设置有冷却片19（在此未示出）。

为了实现电气轴驱动单元11的特别紧凑的构造，可以省略部件12、13、14与壳体15的外壁和壳体间壁16、17、18之间的距离。由此同样实现了部件12、13、14到共同壳体15上的面连接。

若不为部件12、13、14设置各自的壳体，而是将这些部件直接安装在共同的壳体15中，就实现了电气轴驱动单元11的非常紧凑的构造。

若部件12、13、14的部件壳体与壳体间壁16、17、18一起形成共同壳体15而没有另外的壳体元件，则同样可以实现电气轴驱动单元11的非常紧凑且低成本的构造。

若共同壳体15构造为，冷却空气流21在壳体15内部引导并且冷却片19和粗糙表面18安装在壳体内，实现了电气轴驱动单元11的另一种低成本且紧凑的构造方式。在图4所示的实施例中，能量存储器（在此未示出）布置在车辆10中的电气轴驱动单元11的壳体15的外部。

在轴驱动器11（电气轴驱动单元）的有利扩展方案中，电力电子系统13配备有基于半导体材料SiC（碳化硅）的开关29和/或二极管30，其与基于现在常见的半导体材料硅的开关和/或二极管相比，具有明显更低的功率损耗。其优点是，由于功率损耗显著降低，电力电子系统13的散热成本相应地降低。

有利的是，电气轴驱动单元11的部件电力电子系统13、电机12和传动装置14布置为，使得被引导的冷却空气射流首先为电力电子系统13散热，然后才掠过部件电机12和传动装置14并为其散热。由此具有的优点是，避免由传动装置14和电机12的废热造成电力电子系统13不期望的加热。由此防止了由加热（热死）造成的电力电子系统13的加速老化或损坏。

尽管上文参照优选实施例充分地描述了本发明，但本发明不限于此，而是能够以多种方式和方法更改。特别是，前文中参照图2至4描述的实施例也可以彼此组合，特别是其中的各个特征可以彼此组合。

Claims (15)

1.一种用于车辆（10）的轴驱动器（11），其包括布置在壳体（15）中的至少一个电机（12）、至少一个电力电子系统（13）和至少一个传动装置（14），其中，第一壳体间壁（16）位于所述至少一个电机（12）和所述至少一个电力电子系统（13）之间，其中，第二壳体间壁（17）位于所述至少一个电机（12）和所述至少一个传动装置（14）之间，其特征在于，所述第一壳体间壁（16）由第一材料（M1）制成和/或所述第二壳体间壁（17）由第二材料（M2）制成。

2.根据权利要求1所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述第一壳体间壁（16）的第一材料（M1）是绝热的。

3.根据权利要求1或2所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述第二壳体间壁（17）的第二材料（M2）具有非常高的导热性。

4.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，由第三材料（M3）制成的第三壳体间壁（18）位于所述至少一个传动装置（14）和所述至少一个电力电子系统（13）之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述第三壳体间壁（18）的第三材料（M3）是绝热的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述第二材料（M2）由铜或铜合金制成。

7.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述第一壳体间壁（16）在至少一面上是光滑的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述第二壳体间壁（17）在至少一面上是粗糙的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述第三壳体间壁（18）在至少一面上是光滑的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述第二壳体间壁（17）具有至少一个冷却片（19）。

11.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，壳体外壁（20）是粗糙的。

12.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述壳体外壁（20）具有至少一个冷却片（19）。

13.根据权利要求10和12所述的冷却片（19），其特征在于，所述冷却片的表面是粗糙的。

14.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述壳体外壁（20）由冷却空气（21）冷却。

15.根据前述权利要求中任一项所述的轴驱动器（11），其特征在于，所述壳体（15）的内部区域（22）由冷却空气（21）冷却。