CN111565953A - 用于机动车的电驱动单元以及机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的电驱动单元(1)，包括：具有定子(5)和转子(6)的电机(2)；逆变器(3)，具有给定子(5)的第一相系统(U、V、W)供电的第一开关单元(10)；与转子(6)为了转矩传输而连接的传动装置(4)；润滑剂回路(14)，用于润滑传动装置(4)和/或冷却转子(5)；第一冷却剂回路(12)，用于冷却第一开关单元(10)；润滑剂‑冷却剂热交换器(20)，用于将第一冷却剂回路(12)与润滑剂回路(14)热耦合；控制装置(12)，设计用于针对第一开关单元(10)提供增加损耗的运行模式，以便增加对第一冷却剂回路(12)的冷却剂进行加热的损耗功率；润滑剂‑冷却剂热交换器(20)设计用于将经加热的冷却剂的热量传输到润滑剂回路(14)上，以便减小润滑剂(15)的粘度。

Description

用于机动车的电驱动单元以及机动车
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的电驱动单元，该电驱动单元包括具有定子和转子的电机、连接于电机上游的具有用于给定子的第一相系统供电的第一开关单元的逆变器、与转子为了转矩传输而连接的传动装置、用于润滑传动装置和/或用于冷却转子的润滑剂回路、用于冷却第一开关单元的第一冷却剂回路和用于将第一冷却剂回路与润滑剂回路热耦合的润滑剂-冷却剂热交换器。本发明此外涉及一种机动车。
背景技术
当前关注用于可电驱动的机动车、例如电动车或混合动力车的电驱动单元。这样的驱动单元通常具有电机(例如旋转场电机)、逆变器以及传动装置。在此常见的是，对连接于电机上游的逆变器进行冷却，例如通过将逆变器布置在冷却剂回路中并且使得逆变器被在冷却剂回路中循环的冷却剂或制冷剂流过。
电驱动单元也可以具有润滑剂回路，传动装置布置在该润滑剂回路中。为了最小化摩擦损耗，传动装置被在润滑剂回路中循环的润滑剂、例如油进行润滑。所使用的润滑剂此外可以用于冷却电机的转子。亦即，转子同样布置在润滑剂回路中并且能被润滑剂流过。在此可以设定，用于传动装置的润滑剂回路和用于逆变器的冷却剂回路经由用于在润滑剂回路与冷却剂回路之间传输热量的润滑剂-冷却剂热交换器彼此热耦合。由此，冷却剂回路也能够被用于冷却润滑剂回路的润滑剂。
然而，尤其是在机动车起动时，润滑剂的温度低并且由此润滑剂的粘度非常高。在一定的持续时间之后润滑剂才在机动车运行时被加热到如下温度，在该温度下粘度处于设定范围内。然而，在加热的该持续时间期间，润滑剂的高粘度导致传动装置上的损耗增加。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于可电驱动的机动车的损耗特别小的电驱动单元。
该任务按照本发明通过具有按照相应独立权利要求的特征的电驱动单元以及机动车来解决。本发明的有利实施方案是从属权利要求、说明书以及附图的技术方案。
一种按照本发明的用于机动车的电驱动单元具有电机、逆变器以及传动装置，电机具有定子和转子，逆变器连接于电机上游并且具有给定子的第一相系统供电的第一开关单元，传动装置与转子为了转矩传输而连接。此外，驱动单元具有润滑剂回路，该润滑剂回路对于传动装置而言用于润滑传动装置和/或对于转子而言用于冷却转子。另外，驱动单元具有用于逆变器的第一开关单元的第一冷却剂回路，以用于冷却第一开关单元。润滑剂-冷却剂热交换器用于将第一冷却剂回路与润滑剂回路热耦合。另外，电驱动单元包括控制装置，该控制装置设计用于针对第一开关单元提供增加损耗的运行模式，以便增加第一开关单元对第一冷却剂回路的冷却剂进行加热的损耗功率。润滑剂-冷却剂热交换器设计用于将经加热的冷却剂的由增加的损耗导入所引起的热量传输到润滑剂回路上，以便减小润滑剂的粘度。
电驱动单元例如可以是集成有功率电子器件或集成有逆变器并且集成有传动装置的电机。在该情况下，电机、逆变器和传动装置可以布置在一个共同的壳体中，从而驱动单元特别紧凑地构成。电机例如可以是n相旋转场电机，其n个相通过连接在上游的n相逆变器来供电。例如n可以等于3，从而旋转场电机构成为三相旋转场电机并且具有正好一个带有三个相的相系统。这时，逆变器包括正好一个开关单元，该开关单元具有三个并联的带有开关的半桥，其中，每个半桥与电机的一个相电连接。n也可以等于6，从而旋转场电机构成为六相旋转场电机并且具有两个分别带有三个相的相系统。这时，逆变器可以包括两个开关单元，所述两个开关单元分别具有三个并联的带有开关的半桥。
为了给电机的相供电，由控制装置根据预定的开关模式对第一开关单元的各开关进行开关。开关可以是功率半导体、例如IGBT或功率MOSFET。基于在第一开关单元运行时产生的损耗功率对第一开关单元进行冷却。为此，第一开关单元布置在第一冷却剂回路中并且被在第一冷却剂回路中循环的冷却剂、例如水流过。如此能够为第一开关单元提供较低的温度。由此电机能够以高效率运行，而逆变器的开关单元被可靠地保护以防过热。
为了减小驱动单元的传动装置的摩擦，传动装置布置在润滑剂回路中。润滑剂回路具有储存器、例如油池，润滑剂、例如油能够从存储器中被可靠地引导至传动装置中的摩擦部位。由此能够减小传动装置中的损耗。在润滑剂回路中循环的润滑剂也可以流过电机的转子以便进行冷却，该转子为此例如可以构成为中空体。
润滑剂回路与冷却剂回路经由润滑剂-冷却剂热交换器、简称热交换器热耦合。因此例如可以发生润滑剂的冷却，借此该润滑剂的温度不超过温度上限、例如100℃。为此，热量能够从润滑剂回路传输到冷却剂回路上。但如果润滑剂的温度低于温度下限、例如60℃，则润滑剂的粘度非常高。换言之，润滑剂在低温下非常粘稠并且因此仅能够困难地被输送至传动装置中的摩擦部位。因此为了减小粘度对润滑剂进行加热。为此，控制装置使逆变器的第一开关单元转换到增加损耗的运行模式中，增加损耗的运行模式偏离于损耗优化的运行模式。亦即，增加损耗的运行模式可理解为如下运行模式，在该运行模式中开关单元“产生”比在损耗优化的运行模式中更高的损耗功率。亦即，通过增加损耗的运行模式有意地增加由第一开关单元输出的损耗功率。
该损耗功率以损耗热量或余热的形式被输出给流过第一开关单元的冷却剂，该冷却剂接着被加热。亦即，通过增加损耗的开关行为，主动对第一冷却剂回路的冷却剂进行加热。该热量被输送至在第一冷却剂回路中连接于第一开关单元下游的热交换器，该热交换器将热量传输到润滑剂回路上。由此，在润滑剂回路中循环的润滑剂被加热，从而能够减小该润滑剂的粘度。
通过第一开关单元的增加损耗的操控能够减小润滑剂的粘度，而无需在驱动单元中提供附加的部件、例如单独的加热器。因此，能够以简单的方式减小驱动单元的传动装置中的损耗。
在此可以设定，控制装置设计用于为了增加损耗功率而增加第一开关单元的开关的开关损耗，并且设计用于在增加损耗的运行模式中以大于预定开关频率阈值的开关频率对开关进行开关。在开关频率小于阈值时，第一开关单元在损耗优化的运行模式中运行。为了增加损耗功率，提高第一开关单元的开关频率。也可以设定，控制装置设计用于，为了增加损耗功率而这样操控第一开关单元的开关，使得由第一开关单元传输给电机的功率大于预定功率阈值。通过操控第一开关单元的开关，能够以简单的方式增加由第一开关单元输出的损耗功率，以便减小润滑剂的粘度。
可以设定，第一冷却剂回路附加地设计用于冷却定子，其中，在第一冷却剂回路中循环的冷却剂从第一开关单元流向定子。亦即，第一开关单元和定子串联地布置在冷却剂回路中。定子的叠片组例如可以具有冷却通道，所述冷却通道被冷却剂流过。备选地或附加地，冷却剂可以沿着叠片组的外侧被引导用于冷却定子。通过借助第一冷却剂回路对定子的冷却并且尤其是通过借助第一冷却剂回路对转子的冷却，电机能够特别有效率地运行。
在此被证明为有利的是，润滑剂-冷却剂热交换器为了防止经加热的冷却剂输送给定子而在第一冷却剂回路中布置在第一开关单元与定子之间。由此，由于增加损耗的运行模式而输出给冷却剂的热量能够在冷却剂流过定子之前经由热交换器被传递给润滑剂。因此能够防止无意加热定子并且因此也能够在第一开关单元的增加损耗的运行模式中提供电机的有效率的运行。
特别有利地，逆变器具有用于给定子的第二相系统供电的第二开关单元。电驱动单元具有用于第二开关单元以及定子的第二冷却剂回路，其中，控制装置设计用于，在第一开关单元的增加损耗的运行模式期间为第二开关单元提供损耗优化的运行模式。尤其是，电机构成为具有两个三相的相系统的六相旋转场电机，并且逆变器构成为具有两个开关单元的六相逆变器。逆变器的两个并联的开关单元可以不对称地在两个不同的运行模式中运行。亦即，可以由控制装置针对第一开关单元提供增加损耗的运行模式，而针对第二开关单元提供损耗优化的运行模式。例如，第一开关单元的开关的开关频率可以大于第二开关单元的开关的开关频率。备选地或附加地，经由第一开关单元传输的功率份额可以大于经由第二开关单元传输的功率份额。
此外，各开关单元由不同的并联的冷却剂回路来冷却。第一冷却剂回路尤其是仅用于冷却第一开关单元并且用于将损耗热量传输至热交换器。第二冷却剂回路尤其是不与热交换器热耦合并且用于冷却第二开关单元和定子。如此能够在通过第一开关单元减小润滑剂的粘度时借助第二冷却剂回路可靠地对第二开关单元和定子进行冷却。
在本发明的一种进一步扩展方案中，控制装置设计用于，仅当润滑剂的温度低于预定温度下限、尤其是60℃时，为第一开关单元(10)提供增加损耗的运行模式。例如可以借助温度传感器检测润滑剂的温度，并且在润滑剂的温度低于温度下限时为开关提供增加损耗的开关行为。即，润滑剂的粘度在小于该温度下限时是不希望地高的。该温度尤其是在已经停止的机动车的起动过程中或开动时出现。
被证明为有利的是，控制装置设计用于，根据润滑剂的温度来确定为了减小粘度所需要的损耗功率并且在增加损耗的运行模式中这样操控第一开关单元，使得第一开关单元提供所需要的损耗功率。例如，可以将润滑剂的特定温度值配属给增加损耗的开关频率值和/或功率值。为了提供在润滑剂的当前温度中为了减小粘度而需要的那个损耗功率，则可以由控制装置从预定的配属关系中选择所属的开关频率值和/或所属的功率值并且提供给第一开关单元。
一种按照本发明的机动车包括按照本发明的电驱动单元或其实施方式。机动车尤其是构成为轿车形式的电动车或混合动力车。
参考按照本发明的电驱动单元介绍的实施方式及其优点相应地适用于按照本发明的机动车。
本发明的其他特征从权利要求、附图和附图说明中得出。以上在说明书中提及的特征和特征组合以及下面在附图说明中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能在相应给出的组合中使用，而且也能在其他组合中使用或能单独使用。
附图说明
现在借助优选实施例以及参考附图更详细地阐述本发明。
唯一的图示出按照本发明的电驱动单元的一种实施方式的示意图。
具体实施方式
电驱动单元1用于驱动在此未示出的机动车。驱动单元1具有电机2、连接于该电机2上游的逆变器3以及传动装置4。电机2具有定子5以及相对于定子5可转动地支承的转子6。转子6经由转子轴7与传动装置4耦联，该传动装置在此经由不同的传动级8将转子6的转矩传输到机动车的车轮9上。为了运行电机2，由逆变器3给定子5的相U‘、V、V‘、W、W‘供电。在此，电机2构成为六相旋转场电机，该六相旋转场电机具有由相U、V、W组成的第一相系统和由相U‘、V‘、W‘组成的第二相系统。逆变器3具有带有可控开关的支路或半桥，所述支路或半桥的数量与定子5的相U‘、V、V‘、W、W‘的数量对应。在此，逆变器3具有与第一相系统电连接的第一开关单元10和并联的与第二相系统电连接的第二开关单元11。每个开关单元10、11具有三个带有可控开关的半桥。在此，为了给相U‘、V、V‘、W、W‘供电，根据预定的开关序列这样操控这些开关，使得在旋转场电机2中产生驱动转子6的旋转磁场。
因为在逆变器3运行时产生损耗热量形式的损耗功率，所以要对逆变器3进行冷却。为此，驱动单元1在此具有两个局部示出的冷却剂回路12、13(虚线)。第一冷却剂回路12用于冷却第一开关单元10，其方式为在第一冷却剂回路12中循环的冷却剂12流过第一开关单元10。第二冷却剂回路13用于冷却第二开关单元11以及定子5。为此，在第二冷却剂回路13中循环的冷却剂流过第二开关单元11以及定子5。冷却剂或制冷剂可以是冷却液、例如水。
此外，驱动单元1具有润滑剂回路14(实线)，用于润滑传动装置4的润滑剂在该润滑剂回路中循环。润滑剂15例如可以是油并且从储存器16、例如油池经由过滤器17被输送至传动装置以进行润滑并且经由第一回流路径18再次被输送至储存器16。在此，润滑剂15此外通过构成为中空体的转子轴7被引导以冷却转子6并且经由第二回流路径19再次被引导到储存器16中。
润滑剂回路14和第一冷却剂回路12经由润滑剂-冷却剂热交换器20热耦合。在电机2的正常运行中，热交换器20将润滑剂15的热量传输到第一冷却剂回路12中的冷却剂上，以便冷却润滑剂15。如此能够防止润滑剂15超过特定的温度上限，例如100℃。
在机动车开动时，当润滑剂15具有环境温度时，润滑剂15此外具有高的粘度。该高的粘度时不希望的，因为其导致传动装置4中的损耗。因此，如果润滑剂的温度低于预定的温度下限、尤其是60℃，则对润滑剂15进行加热。所述润滑剂的温度例如可以由在此未示出的在润滑剂回路14中的温度传感器检测并且提供给驱动单元1的控制装置21。为了对润滑剂15进行加热，由驱动单元1的控制装置21这样操控第一开关单元10，使得第一开关单元的损耗功率增加。亦即，第一开关单元10由控制装置21在增加损耗的运行模式中运行。与此同时，第二开关单元11可以由控制装置在损耗优化的运行模式中运行。亦即，各开关单元10、11可以由控制装置21不对称地运行。为此，例如可以以如下开关频率运行第一开关单元10的开关，所述开关频率超过预定阈值并且高于第二开关单元11的开关频率。备选地或附加地，控制装置21可以这样操控各开关单元10、11，使得经由第一开关单元10传输的功率比经由第二开关单元11传输的功率更多。
通过增加第一开关单元10的损耗功率，第一冷却剂回路12的流过第一开关单元10的冷却剂被加热。该被加热的冷却剂被输送至串联在第一开关单元10下游的热交换器20。热交换器20将冷却剂的热量从第一冷却剂回路12传输到润滑剂回路14上。然后在那里，润滑剂15被加热并且润滑剂15的粘度减小。因此，润滑剂15能够可靠地被引导至传动装置4以减小传动装置4中的摩擦损耗。
附图标记列表
1 驱动单元
2 电机
3 逆变器
4 传动装置
5 定子
6 转子
7 转子轴
8 传动级
9 车轮
10 第一开关单元
11 第二开关单元
12 第一冷却剂回路
13 第二冷却剂回路
14 润滑剂回路
15 润滑剂
16 储存器
17 过滤器
18 第一回流路径
19 第二回流路径
20 热交换器
21 控制装置
U、U‘、V、V‘、W、W‘ 相

Claims (10)

1.一种用于机动车的电驱动单元(1)，包括：
-电机(2)，该电机具有定子(5)和转子(6)；
-逆变器(3)，该逆变器连接于电机(2)上游并且具有给定子(5)的第一相系统(U、V、W)供电的第一开关单元(10)；
-传动装置(4)，该传动装置与转子(6)为了转矩传输而连接；
-润滑剂回路(14)，该润滑剂回路用于润滑传动装置(4)和/或用于冷却转子(5)；
-第一冷却剂回路(12)，该第一冷却剂回路用于冷却第一开关单元(10)；
-润滑剂-冷却剂热交换器(20)，该润滑剂-冷却剂热交换器用于将第一冷却剂回路(12)与润滑剂回路(14)热耦合；
其特征在于设有控制装置(12)，该控制装置设计用于为第一开关单元(10)提供增加损耗的运行模式，以便增加第一开关单元(10)对第一冷却剂回路(12)的冷却剂进行加热的损耗功率，其中，润滑剂-冷却剂热交换器(20)设计用于将经加热的冷却剂的由增加的损耗导入所引起的热量传输到润滑剂回路(14)上，以便减小润滑剂回路(14)的润滑剂(15)的粘度。
2.根据权利要求1所述的电驱动单元(1)，其特征在于，所述控制装置(21)设计用于为了增加损耗功率而增加第一开关单元(10)的开关的开关损耗，并且所述控制装置设计用于在增加损耗的运行模式中以大于预定开关频率阈值的开关频率对所述开关进行开关。
3.根据权利要求1或2所述的电驱动单元(1)，其特征在于，所述控制装置(21)设计用于，为了增加损耗功率而这样操控第一开关单元(10)的开关，使得由第一开关单元(10)传输给电机(2)的功率大于预定功率阈值。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电驱动单元(1)，其特征在于，所述第一冷却剂回路(12)设计用于冷却定子(5)，其中，在第一冷却剂回路(12)中循环的冷却剂从第一开关单元(10)流向定子(5)。
5.根据权利要求4所述的电驱动单元(1)，其特征在于，为了防止经加热的冷却剂输送给定子(5)，所述润滑剂-冷却剂热交换器(20)在第一冷却剂回路(20)中布置在第一开关单元(10)与定子(5)之间。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电驱动单元(1)，其特征在于，所述逆变器(3)具有用于给定子(5)的第二相系统(U‘、V‘、W‘)供电的第二开关单元(11)，并且所述电驱动单元(1)具有用于第二开关单元(11)以及定子(5)的第二冷却剂回路(13)，其中，所述控制装置(21)设计用于，在第一开关单元(10)的增加损耗的运行模式期间为第二开关单元(11)提供损耗优化的运行模式。
7.根据权利要求6所述的电驱动单元(1)，其特征在于，所述电机(2)构成为具有两个三相的相系统的六相旋转场电机，并且所述逆变器(3)构成为具有两个开关单元(10、11)的六相逆变器。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电驱动单元(1)，其特征在于，所述控制装置(21)设计用于，仅当润滑剂(15)的温度低于预定温度下限、尤其是60℃时，针对第一开关单元(10)提供增加损耗的运行模式。
9.根据上述权利要求中任一项所述的电驱动单元(1)，其特征在于，所述控制装置(21)设计用于，根据润滑剂(15)的温度来确定为了减小粘度所需要的损耗功率并且在增加损耗的运行模式中这样操控第一开关单元(10)，使得第一开关单元提供所需要的损耗功率。
10.一种机动车，该机动车具有根据上述权利要求中任一项所述的电驱动单元(1)。
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