DE102007001814A1 - Device for cooling of power electronics in motor vehicle, has blower and low-temperature cooling circuit and power electronics is arranged in low-temperature cooling circuit, which has coolant pump and radiator - Google Patents

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Abstract

The device has a blower (L) and a low-temperature cooling circuit (NT). The power electronics (LE,DC) is arranged in the low-temperature cooling circuit, which has a coolant pump (P) and a radiator (K). The blower is arranged in such a manner that it supplies air directly to the power electronics. The low-temperature cooling circuit has an auxiliary coolant pump. An independent claim is also included for the method for cooling of power electronics in motor vehicles.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 zur Kühlung einer Leistungselektronik in einem Kraftfahrzeug.The The invention relates to a device according to the The preamble of claim 1 and a method according to the The preamble of claim 4 for cooling a power electronics in a motor vehicle.

Aus der DE 100 02 235 A1 ist ein Kühlsystem zur Kühlung einer Mehrzahl von Wärmequellen, insbesondere von Antriebsorganen und dazugehörigen Ansteuerelektroniken, bekannt. Hierbei können ein Antriebsorgan ein Elektromotor eines Hybridfahrzeuges und eine Ansteuerelektronik eine entsprechende Leistungselektronik sein. Der Kühlkreislauf weist einen Kühler und eine Kühlmittelpumpe sowie vorzugsweise mehrere Zweige auf, in denen in Flussrichtung zunächst die Ansteuerelektronik und dann das Antriebsorgan angeordnet sind, da die optimale Betriebstemperatur der Ansteuerelektronik niedriger ist als die des Antriebsorgans. Zur Steuerung der Kühlung können Zweige des Kühlkreislaufes durch Ventile gesperrt oder in der Durchflussmenge reduziert werden. Des Weiteren erfolgt eine Steuerung des Volumenstroms, d. h. die Menge des zirkulierenden Kühlmittels, durch eine bedarfsgerechte Drehzahlsteuerung der Kühlmittelpumpe und eine zusätzliche Steuerung der Kühlleistung durch eine Drehzahlsteuerung von einem elektrischen Lüfter, der dem Kühler zugeordnet ist und diesen zur Kühlung des Kühlmittels mit Luft beströmt. Eine Steuerung der Kühlung der Ansteuerelektronik und des Antriebsorgans erfolgt somit in nachteiliger Weise ausschließlich über die Temperatur und den Volumenstrom des zirkulierenden Kühlmittels.From the DE 100 02 235 A1 is a cooling system for cooling a plurality of heat sources, in particular of drive members and associated control electronics known. Here, a drive member may be an electric motor of a hybrid vehicle and a control electronics corresponding power electronics. The cooling circuit has a radiator and a coolant pump and preferably a plurality of branches in which the control electronics and then the drive member are arranged in the flow direction first, since the optimum operating temperature of the control electronics is lower than that of the drive member. To control the cooling branches of the cooling circuit can be blocked by valves or reduced in the flow rate. Furthermore, there is a control of the volume flow, ie the amount of circulating coolant through a demand-driven speed control of the coolant pump and additional control of the cooling capacity by a speed control of an electric fan, which is associated with the radiator and this flows to cool the coolant with air. A control of the cooling of the control electronics and the drive member thus takes place disadvantageously only on the temperature and the flow rate of the circulating coolant.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung einer Leistungselektronik in einem Kraftfahrzeug vorzuschlagen, die eine gute Steuerbarkeit und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.task The invention is thus an apparatus and a method for Cooling of power electronics in a motor vehicle Propose that good controllability and high reliability exhibit.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.The The object is achieved by a device having the features of the claim 1 and solved by a method having the features of claim 4.

Demgemäß ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Lüfter derart angeordnet, dass er die Leistungselektronik direkt mit Luft beströmt, wobei beim erfindungsgemäßen Verfahren die Leistungselektronik bedarfsgerecht über die Durchflussmenge des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs und die Drehzahl des Lüfters gekühlt wird.Accordingly in the apparatus according to the invention, the fan arranged so that he can power the power directly with air flowed through, wherein the inventive Procedures the power electronics as needed on the Flow rate of the low-temperature cooling circuit and the speed of the fan is cooled.

Unter einer bedarfsgerechten Kühlung wird hierbei verstanden, dass nur in dem Maße gekühlt wird, wie es notwendig ist, damit die Leistungselektronik die gewünschte Temperatur besitzt.Under A need-based cooling is understood here, that is cooled only to the extent necessary is, so that the power electronics the desired temperature has.

Hieraus ergeben sich Vorteile bezüglich des Geräusches und bezüglich des Verbrauches, da der Lüfter bei einer möglichst niedrigen Drehzahl betrieben wird. Diese Drehzahlregelung wird besonders vorteilhaft mit einem elektrischen Lüfter durchgeführt, kann jedoch auch mit einer Variation eines mechanischen Antriebs erreicht werden.From this There are advantages in terms of noise and in terms of consumption, as the fan at operated as low as possible speed. These Speed control is particularly advantageous with an electric Cooling fan can, however, also with a Variation of a mechanical drive can be achieved.

Durch einen Lüfter, der die Leistungselektronik direkt mit Luft beströmt, kann in vorteilhafter Weise insbesondere Strahlungswärme von benachbarten Elementen des Kraftfahrzeuges, wie beispielsweise dem Motorblock, dem Abgaskrümmer oder der weiteren Abgasanlage, kompensiert werden. Wohingegen durch den Niedertemperatur-Kühlkreislauf besonders vorteilhaft die von der Leistungselektronik selbst erzeugte Wärme, insbesondere bei hoher Last, abgeführt werden kann. Somit ergibt eine Kombination von Niedertemperatur-Kühlkreislauf und einem Lüfter, der die Leistungselektronik direkt mit Luft beströmt, eine besonders gut steuerbare und zuverlässige Kühlung für die Leistungselektronik.By a fan that connects the power electronics directly with air flowed, can in particular radiant heat in an advantageous manner of adjacent elements of the motor vehicle, such as the engine block, the exhaust manifold or the other exhaust system, be compensated. Whereas by the low-temperature cooling circuit particularly advantageous that generated by the power electronics themselves Heat, especially at high load, dissipated can be. Thus, a combination of low temperature refrigeration cycle results and a fan that connects the power electronics directly Air flows, a particularly well controllable and reliable Cooling for the power electronics.

Dies führt zu einer erhöhten Lebensdauer bzw. Zuverlässigkeit der Leistungselektronik.This leads to an increased life or reliability the power electronics.

Ebenso kann durch diese Reduzierung der Umgebungslufttemperaturen, eine Überdimensionierung von Kabelquerschnitten und Bauelementen, wie beispielsweise dem Zwischenkreiskondensator, bedingt durch Temperaturspitzen vermieden werden.As well can be overdimensioned by this reduction in ambient air temperatures of cable cross sections and components, such as the DC link capacitor, caused by temperature peaks avoided become.

Weist der Niedertemperatur-Kühlkreislauf neben der Kühlmittelpumpe eine Ergänzungskühlmittelpumpe auf, so kann dadurch vorteilhaft eine gleichmäßige Belastung der Pumpen erreicht werden, insbesondere wenn eine der beiden Pumpen einen Grundvolumenstrom für eine ausreichende Kühlung bei Grundlast fördert und die andere Pumpe bei Bedarf einen weiteren Spitzenvolumenstrom zur Wärmeabfuhr bei Spitzenlast fördert. Eine vorteilhafte gleichmäßige Belastung der Pumpen über die Lebenszeit ergibt sich dann, wenn die Pumpen abwechselnd für den Grundvolumenstrom oder den Spitzenvolumenstrom sorgen und somit die Rollen wechseln. Dieser Wechsel wird vorteilhaft durch ein zentrales Steuergerät, beispielsweise das Motorsteuergerät, initiiert. Als weiterer Vorteil ergibt sich hieraus ein redundantes Kühlmittelpumpenkonzept.has the low-temperature cooling circuit next to the coolant pump a supplementary coolant pump, so it can advantageously a uniform load on the pumps be achieved, especially if one of the two pumps a basic volume flow promotes adequate cooling at base load and the other pump, if necessary, another peak volume flow promotes heat dissipation at peak load. A advantageous even load of the pumps over the lifetime arises when the pumps alternately for provide the basic volume flow or the peak volume flow and thus change the roles. This change will be advantageous through a central Control unit, for example the engine control unit, initiated. As a further advantage, this results in a redundant Coolant pump concept.

Ebenso kann in vorteilhafter Weise ein Kühler, insbesondere der Kühler des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs, so angeordnet sein, dass er auch vom Lüfter mit Luft beströmt wird. Vorzugsweise strömt die Luft hierbei zunächst an der Leistungselektronik vorbei.As well can advantageously a cooler, in particular the Cooler of the low temperature refrigeration cycle, so be arranged so that it flows from the fan with air becomes. Preferably, the air flows in this case first past the power electronics.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der einzigen Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the single drawing, an embodiment of the invention is shown. The description and claims are included numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungselektronik LE inklusive einem DC/DC-Wandler DC in einem Kraftfahrzeug. Wobei der Begriff „Leistungselektronik" im Sinne der Erfindung beispielsweise auch einen DC/DC-Wandler umfasst.The single figure shows a device according to the invention for cooling a power electronics LE including a DC / DC converter DC in a motor vehicle. Where the term "power electronics" For the purposes of the invention, for example, also includes a DC / DC converter.

Ein Lüfter L ist so angeordnet, dass er die Leistungselektronik LE, inklusive des DC/DC-Wandlers DC direkt mit Luft beströmt. Die Leistungselektronik LE und der DC/DC-Wandler DC sind in einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf NT angeordnet, in dem eine Kühlmittelpumpe P ein Kühlmittel KM fördert. Das Kühlmittel KM durchströmt einen Kühler K.One Fan L is arranged so that it has the power electronics LE, including the DC / DC converter DC, directly supplied with air. The power electronics LE and the DC / DC converter DC are in a low-temperature cooling circuit NT arranged in which a coolant pump P is a coolant KM promotes. The coolant KM flows through a cooler K.

Um eine „direkte" Luftbeströmung handelt es sich im Sinne der Erfindung, wenn die Luft zur unmittelbaren Aufnahme der Wärmeenergie der Leistungselektronik LE dient. Also kein weiteres Kühlmedium zwischengeschaltet ist. Eine „direkte" Luftbeströmung meint also auch eine Luftführung, die nicht auf dem direkten geometrischen Wege zur Leistungselektronik LE führt.Around a "direct" air flow is in the sense of the invention, when the air for immediate absorption the heat energy of the power electronics LE is used. So no further cooling medium is interposed. A "direct" Air flow thus also means an air duct, not on the direct geometric path to power electronics LE leads.

Die Ansteuerung der Kühlmittelpumpe P und des Lüfters L erfolgt über ein Steuergerät ST, beispielsweise dem Motorsteuergerät. Hierbei wird dem Steuergerät ST durch Sensoren die Temperatur T_LE der Leistungselektronik LE und die Temperatur T_DC des DC/DC-Wandlers DC zugeführt.The Control of the coolant pump P and the fan L takes place via a control unit ST, for example the engine control unit. This is the controller ST by sensors the temperature T_LE of the power electronics LE and the temperature T_DC of the DC / DC converter DC supplied.

Bei der Kühlmittelpumpe P handelt es sich vorzugsweise um eine Pumpe mit hoher Lebensdauer bzw. Zuverlässigkeit, um eine Beschädigung der Leistungselektronik LE bei einem Ausfall der Kühlung zu vermeiden. Eine kontinuierliche Mindestkühlung ist für die Lebensdauer der Leistungshalbleiter relevant, da so kurzfristige Temperaturerhöhungen vermieden werden können.at the coolant pump P is preferably a Pump with high durability or reliability to a Damage to the power electronics LE in the event of a failure to avoid the cooling. A continuous minimum cooling is relevant for the life of the power semiconductors, since so short-term temperature increases can be avoided.

Die in der Figur dargestellte Leistungselektronik LE ist einer Elektromaschine EM zugeordnet und mit dieser elektrisch über die Phasen U, V und W verbunden.The Power electronics LE shown in the figure is an electric machine EM associated with this and electrically over the phases U, V and W connected.

Um bei einer zunehmenden thermischen Belastung von außen, d. h. durch Strahlungswärme von benachbarten Elementen des Kraftfahrzeuges, wie beispielsweise dem Motorblock, dem Abgaskrümmer oder der weiteren Abgasanlage, die Leistungselektronik LE ausreichend zu kühlen, wird vorzugsweise die Drehzahl des Lüfters L erhöht. Dies kann kontinuierlich oder in festgelegten Stufen, von beispielsweise 25 und 100 Prozent, erfolgen. Eine solche thermische Spitzenbelastung liegt insbesondere dann vor, wenn die benachbarten Elemente eine große Wärmemenge abgeben und aufgrund niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit diese nur langsam abgeführt wird.Around at an increasing thermal load from the outside, d. H. by radiant heat from adjacent elements of the motor vehicle, such as the engine block, the exhaust manifold or the further exhaust system, the power electronics LE sufficient To cool, preferably, the speed of the fan L increased. This can be continuous or in set Steps, for example 25 and 100 percent, take place. Such peak thermal load is especially present when the adjacent elements emit a large amount of heat and due to low vehicle speed these only slowly is dissipated.

Dies ist beispielsweise bei Bergauf-Fahrten oder direkt nach Bergauf-Fahrten gegeben. Für eine Bestimmung der thermischen Betriebszustände werden die im Fahrzeug vorliegenden Messgrößen, wie beispielsweise Parameter des Verbrennungsmotors oder Fahrzeuggeschwindigkeiten und -beschleunigungen, genutzt.This is for example uphill rides or directly after uphill rides given. For a determination of the thermal operating conditions are the measured quantities available in the vehicle, such as parameters of the internal combustion engine or vehicle speeds and accelerations used.

Bei einer zunehmenden thermischen Belastung von innen, d. h. durch eine erhöhte Temperatur T_LE der Leistungselektronik LE selbst, wird für eine ausreichende Kühlung vorzugsweise die Durchflussmenge des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs NT durch eine entsprechende Steuerung der Kühlmittelpumpe P erhöht. Die Steuerung der Kühlmittelpumpe P kann über an- bzw. ausschalten oder über eine direkte Steuerung der Durchflussmenge des Kühlmittels KM erfolgen. Eine Temperaturerhöhung der Leistungselektronik LE ergibt sich infolge von Überstrom bzw. hoher Last, wie beispielsweise bei einem Start des Verbrennungsmotors oder einem hohen motorischen oder generatorischen Moment der Elektromaschine EM. Somit sind für die Drehzahl des Lüfters L und die Steuerung der Kühlmittelpumpe P die Leistungselektroniktemperatur T_LE bzw. T_DC, die Temperatur des Kühlmittels KM des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs NT, die Temperaturen des Kühlwassers und des Motoröls des Verbrennungsmotors, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Verbrennungsmotordrehzahl relevant.at an increasing thermal load from the inside, d. H. by a increased temperature T_LE of the power electronics LE itself, is preferred for sufficient cooling the flow rate of the low-temperature cooling circuit NT by an appropriate control of the coolant pump P increased. The control of the coolant pump P can be switched on or off or via a direct control of the flow rate of the coolant KM respectively. A temperature increase of the power electronics LE arises as a result of overcurrent or high load, such as for example, at a start of the engine or a high motor or generator moment of the electric machine EM. Thus, for the speed of the fan L and the control of the coolant pump P the power electronics temperature T_LE or T_DC, the temperature of the coolant KM of the low-temperature cooling circuit NT, the temperatures of cooling water and engine oil of the internal combustion engine, the vehicle speed and the engine speed relevant.

Bei einer kontinuierlichen Drehzahlverstellung des Lüfters L und einer digitalen An/Aus-Steuerung der Kühlmittelpumpe P können die Betriebszustände des Lüfters L und der Kühlmittelpumpe P beispielsweise in einem Kennfeld abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Temperatur des Verbrennungsmotorkühlwassers und der Temperatur T_LE bzw. T_DC der Leistungselektronik LE abgelegt sein.at a continuous speed adjustment of the fan L and a digital on / off control of the coolant pump P can be the operating conditions of the fan L and the coolant pump P, for example, in a map depending on the vehicle speed, the temperature of the engine cooling water and the temperature T_LE or T_DC the power electronics LE be stored.

Neben der in der Figur dargestellten Kühlmittelpumpe P könnte der Niedertemperatur-Kühlkreislauf NT eine weitere in Reihe geschaltete Ergänzungskühlmittelpumpe aufweisen. In diesem Fall fördert die Kühlmittelpumpe P einen Grundvolumenstrom für eine ausreichende Kühlung bei Grundlast und die Ergänzungskühlmittelpumpe einen Spitzenvolumenstrom, der bei einer Spitzenlast hinzugeschaltet wird.Next the coolant pump P shown in the figure could the low-temperature cooling circuit NT another in series having switched supplementary coolant pump. In this case, the coolant pump P promotes a Basic volume flow for sufficient cooling at base load and the supplementary coolant pump a peak volume flow that turns on at peak load becomes.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10002235 A1 [0002] - DE 10002235 A1 [0002]

Claims (8)

Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungselektronik in einem Kraftfahrzeug mit einem Lüfter (L) und einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT), wobei die Leistungselektronik (LE, DC) in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT), der eine Kühlmittelpumpe (P) und einen Kühler (K) umfasst, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (L) derart angeordnet ist, dass er die Leistungselektronik (LE, DC) direkt mit Luft beströmt.Device for cooling a power electronics in a motor vehicle with a fan (L) and a low-temperature cooling circuit (NT), wherein the power electronics (LE, DC) in the low-temperature cooling circuit (NT), a coolant pump (P) and a radiator ( K), is arranged, characterized in that the fan (L) is arranged such that it flows directly through the power electronics (LE, DC) with air. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) eine Ergänzungskühlmittelpumpe aufweist.Device according to claim 1, characterized in that that the low-temperature cooling circuit (NT) a supplementary coolant pump having. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (L) derart angeordnet ist, dass er ebenso einen Kühler, insbesondere den Kühler (K) des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT), mit Luft beströmt.Device according to Claim 1 or 2, characterized that the fan (L) is arranged so that he as well a radiator, in particular the radiator (K) of the Low-temperature cooling circuit (NT), flowed with air. Verfahren zur Kühlung einer Leistungselektronik in einem Kraftfahrzeug mit einem Lüfter (L) und einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT), wobei die Leistungselektronik (LE, DC) in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT), der eine Kühlmittelpumpe (P) und einen Kühler (K) umfasst, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (LE, DC) bedarfsgerecht über die Durchflussmenge des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) und die Drehzahl des Lüfters (L), der derart angeordnet ist, dass er die Leistungselektronik (LE, DC) direkt mit Luft beströmt, gekühlt wird.Method for cooling a power electronics in a motor vehicle with a fan (L) and a low-temperature cooling circuit (NT) wherein the power electronics (LE, DC) in the low-temperature cooling circuit (NT), which includes a coolant pump (P) and a radiator (K) is arranged, characterized in that the Power electronics (LE, DC) as needed via the flow rate Low temperature cooling circuit (NT) and the speed the fan (L) arranged to receive the Power electronics (LE, DC) directly flowed with air, is cooled. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) eine Ergänzungskühlmittelpumpe aufweist, entweder die Kühlmittelpumpe (P) oder die Ergänzungskühlmittelpumpe einen Grundvolumenstrom sicher stellt und die andere Pumpe für einen ergänzenden Spitzenvolumenstrom sorgt.Method according to claim 4, characterized in that that if the low-temperature cooling circuit (NT) a Complementary coolant pump, either the Coolant pump (P) or the supplementary coolant pump ensures a basic volume flow and the other pump for provides a supplementary peak volume flow. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe (P) und die Ergänzungskühlmittelpumpe abwechselnd für den Grundvolumenstrom oder den Spitzenvolumenstrom sorgen.Method according to claim 5, characterized in that that the coolant pump (P) and the supplementary coolant pump alternately provide the basic volume flow or the peak volume flow. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zunehmenden thermischen Belastung von außen die Drehzahl des Lüfters (L) erhöht wird.Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that at an increasing thermal Load from the outside the speed of the fan (L) is increased. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zunehmenden thermischen Belastung von innen die Durchflussmenge des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) erhöht wird.Method according to one of claims 4 to 7, characterized in that at an increasing thermal Load from inside the flow rate of the low-temperature cooling circuit (NT) is increased.
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