DE102011115823A1

DE102011115823A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Komponente eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011115823A1
Application number: DE201110115823
Authority: DE
Inventors: Jörg Huber; Roland Rössler; Tim Schuler; Jörg Weigold; Wolfgang Wondrak
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2012-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Komponente (14, 18) eines Kraftfahrzeugs, die zum Temperieren mit einem Kühlmittelkreislauf (12) des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist, durch Betreiben der elektrischen Komponente (14, 18) in einem ersten Betriebsmodus, falls eine Temperatur der elektrischen Komponente (14, 18) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und Betreiben der elektrischen Komponente (14, 18) in einem zweiten Betriebsmodus, falls die Temperatur der elektrischen Komponente (14, 18) den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, wobei die elektrische Komponente (14, 18) in dem zweiten Betriebsmodus so betrieben wird, dass sie im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus eine höhere Verlustleistung erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Komponente eines Kraftfahrzeugs. Überdies betrifft die Erfindung eine Temperieranordnung für ein Kraftfahrzeug. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug.
Elektrische Komponenten in einem Kraftfahrzeug sollten in einem entsprechenden Temperaturbereich betrieben werden, um ihren Nutzungsgrad zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden die elektrischen Komponenten zum Temperieren mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt. Um bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Temperatur der elektrischen Komponenten zu erhöhen, sind in dem Kühlmittelkreislauf entsprechende Heizelemente oder Wärmetauscher vorgesehen. Diese benötigen allerdings eine hohe elektrische Energie zum Betrieb und beanspruchen zusätzlichen Bauraum.
Die JP 2010272289 A beschreibt eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur einer Batterie. Hierbei sind ein DC/DC-Wandler und ein Batterieladegerät in einem gemeinsamen Kühlreislauf mit der Batterie thermisch gekoppelt. Die Abwärme des DC/DC-Wandlers und des Ladegeräts werden genutzt, um die Batterie zu erwärmen. Somit kann zusätzliche Energie zum Erwärmen der Batterie eingespart werden.
Aus der JP 2010272395 A ist eine Vorrichtung zur Motorsteuerung eines Elektrofahrzeugs bekannt. Sobald die Temperatur der Batterie einen Grenzwert unterschreitet, wird von einem Signalgenerator ein entsprechendes Signal erzeugt, das einen Stromfluss zwischen der Batterie und dem Wandler bewirkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, elektrische Komponenten, die in einem Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt sind, einfacher und effektiver zu betreiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. in gleicher Weise wird diese Aufgabe durch eine Temperieranordnung gemäß Patentanspruch 6 und ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Komponente eines Kraftfahrzeugs, die zum Temperieren mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist, umfasst das Betreiben der elektrischen Komponente in einem ersten Betriebsmodus, falls eine Temperatur der elektrischen Komponente einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und das Betreiben der elektrischen Komponente in einem zweiten Betriebsmodus, falls die Temperatur der elektrischen Komponente den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, wobei die elektrische Komponente in dem zweiten Betriebsmodus so betrieben wird, dass sie im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus eine höhere Verlustleistung erzeugt.
Für den Fall, dass die Temperatur der elektrischen Komponente in einem vorgegebenen Bereich liegt, wird sie in dem ersten Betriebsmodus – also im Normalbetreib – betrieben. Ist die Temperatur der elektrischen Komponente allerdings zu niedrig, wird sie in dem zweiten Betriebsmodus aktiv so angesteuert, dass die im Vergleich zum ersten Betriebsmodus eine höhere Verlustleistung und somit eine höherer Abwärme erzeugt. Dies hat zur Folge, dass sich die Temperatur der elektrischen Komponente erhöht. Die elektrische Komponente wird so lange in dem zweiten Betriebsmodus betrieben, bis ihre Temperatur den vorgegebenen Grenzwert wieder überschreitet. Die Abwärme der elektrischen Komponente kann auch genutzt werden, um andere Komponenten, die über den Kühlmittelkreislauf mit der elektrischen Komponente thermisch gekoppelt sind, zu erwärmen. Somit bedarf es keiner zusätzlichen Heizelemente in dem Kühlmittelkreislauf, wodurch Kosten und Bauraum eingespart werden können. Die elektrische Komponente kann im dem zweiten Betriebsmodus schnell auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden und somit effektiv betrieben werden.
Die elektrische Komponente kann beispielsweise ein Leistungshalbleiter zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine sein, Die elektrische Komponente kann auch ein entsprechender Spannungswandler, z. B. ein DC/DC-Wandler, ein Umrichter oder eine Ladeinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher sein.
Bevorzugt wird die elektrische Komponente in dem zweiten Betriebsmodus mit einer im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus höheren Stromstärke betrieben. Durch diese höhere Stromstärke kann beispielsweise an ohmschen Widerständen oder an PN-Übergängen von Halbleiterbauelementen eine erhöhte Verlustleistung erzeugt werden. Zudem kann eine elektrische Komponente, die mit einer elektrischen Maschine verbunden ist, mit einem solchen elektrischen Strom betrieben werden, durch den bei einer elektrischen Maschine kein Drehmoment erzeugt wird. Somit kann die Gesamtstromstärke erhöht werden, ohne dabei den momentbildenden Strom zu erhöhen. Grundsätzlich soll der Blindanteil der elektrischen Stromstärke erhöht werden. Anstelle der elektrischen Stromstärke kann hierzu auch die elektrische Spannung angepasst werden. Somit kann die Verlustleistung vergrößert werden und die Temperatur der elektrischen Komponente auf einfache Weise erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die elektrische Komponente in dem zweiten Betriebsmodus mit einer im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus höheren Schaltfrequenz betrieben. Die Verlustleistung einer elektrischen Komponente erhöht sich üblicherweise mit steigender Schaltfrequenz. Hierbei kann beispielsweise ein entsprechender Schalter bzw. Umrichter, der mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, mit einer im Vergleich zum Normalbetreib höheren Frequenz betrieben werden. Die Schaltfrequenz sollte dabei so gewählt werden, dass sie keine Änderung im Betriebsverhalten der elektrischen Maschine bewirkt. Dies kann beispielsweise durch eine Anregung mit einer hohen Frequenz erreicht werden, der die elektrische Maschine aufgrund ihrer mechanischen Trägheit nicht folgen kann. Somit kann die elektrische Komponente und dadurch auch die anderen Komponenten, die über den Kühlmittelkreislauf mit dieser verbunden sind, besonders einfach und schnell erwärmt werden.
In einer Ausgestaltung wird die elektrische Komponente in dem zweiten Betriebsmodus mit einem im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus geänderten Pulsmuster der elektrischen Stromstärke betrieben. Somit kann auf einfache Weise die Temperatur der elektrischen Komponente erhöht werden, ohne dadurch das Betriebsverhalten der elektrischen Komponente zu verändern.
Bevorzugt ist die elektrische Komponente ein Halbleiterschalter und dieser wird in dem zweiten Betriebsmodus mit einer im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus geringeren Steuerspannung betrieben. Bei einem Feldeffekttransistor kann beispielsweise die elektrische Spannung an der Gateelektrode verringert werden, wodurch bei gleichem elektrischen Strom die Durchlassspannung und damit die Durchlassverluste erhöht werden. Dadurch kann die Betriebstemperatur eines Halbleiterschalters einfach und schnell erhöht werden.
Die erfindungsgemäße Temperieranordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst eine elektrischen Komponente und eine Steuereinrichtung zum Betreiben der elektrischen Komponente in einem ersten Betriebsmodus, falls eine Temperatur der elektrischen Komponente einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und zum Betreiben der elektrischen Komponente in einem zweiten Betriebsmodus, falls die Temperatur der elektrischen Komponente den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, wobei die elektrische Komponente in dem zweiten Betriebsmodus im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus eine höhere Verlustleistung erzeugt. Somit können elektrische Komponenten eines Kraftfahrzeugs einfach und schnell – ohne zusätzliche Heizelemente – auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die Temperieranordnung. Bevorzugt ist die elektrische Komponente zum Temperieren mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt, der mit zumindest einer weiteren Komponente gekoppelt ist. Daher kann die Abwärme der elektrischen Komponente einfach genutzt werden, um die anderen Komponenten in dem Kühlmittelkreis zu erwärmen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Temperieranordnung mit einem weiteren Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Ein solcher Kühlmittelkreislauf kann der Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs zugeordnet sein. Somit kann die von der elektrischen Komponente erzeugte Abwärme auch an andere Kühlmittelkreisläufe übertragen werden. Der Fluss des Kühlmittels in den einzelnen Kühlmittelkreisläufen kann dabei entsprechend angepasst werden, damit die einzelnen Komponenten in den Kühlmittelkreisläufen auf ihre entsprechende Betriebstemperatur eingestellt werden können.
Bevorzugt ist der weitere Kühlmittelkreislauf mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt. Somit kann die Batterie eines Kraftfahrzeugs, deren Temperatur unterhalb ihrer Betriebstemperatur liegt, einfach und effektiv aufgeheizt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Kühlmittelkreisanordnung.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Die Fig. zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Kühlmittelkreisanordnung eines Kraftfahrzeugs. Dabei ist ein Kühlmittelkreislauf 12 thermisch mit einer elektrischen Komponente 14 und einer elektrischen Maschine 16 gekoppelt. Die elektrische Komponente 14 ist vorliegend eine entsprechende Leistungselektronik zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 16. Zudem umfasst der Kühlmittelkreislauf 12 eine weitere elektrische Komponente 18 in Form einer Ladeeinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs. Der Kühlmittelkreislauf 12 umfasst zudem einen Temperatursensor 20, mit dem die Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf 12 bestimmt werden kann. Überdies umfasst der Kühlmittelkreislauf 12 eine Pumpe 22 zum Befördern des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf 12. Zudem umfasst der Kühlmittelkreislauf 12 ein Thermostatventil 24, das den Durchfluss des Kühlmittels steuert. Der Kühlmittelkreislauf 12 wird zur Temperierung der elektrischen Komponenten 14, 18 und der elektrischen Maschine 16 verwendet.
Damit die elektrischen Komponenten 14, 18 effektiv betrieben werden können, sollten diese eine vorgegebene Betriebstemperatur aufweisen. Zum Kühlen des Kühlmittels umfasst der Kühlmittelkreis 12 einen Komponentenkühler 26, der beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sein kann. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann es auch der Fall sein, dass die elektrischen Komponenten 14, 18 erwärmt werden sollen. Hierbei werden keine zusätzlichen Heizelemente verwendet, sondern die Abwärme der elektrischen Komponenten 14, 18 wird verwendet, um diese selbst zu erwärmen bzw. aufzuheizen.
Falls die Temperatur der elektrischen Komponenten 14, 18 einen in einem vorgegebenen Bereich liegt, werden die elektrischen Komponenten 14, 18 in einem ersten Betriebsmodus (Normalbetrieb) betrieben. Unterschreitet die Temperatur der elektrischen Komponenten 14, 18 allerdings einen vorgegebenen Grenzwert, werden die elektrischen Komponenten 14, 18 in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, in dem sie im Vergleich zum ersten Betriebsmodus eine höhere Verlustleistung erzeugen.
In dem zweiten Betriebsmodus werden die elektrischen Komponenten 14, 18 mit einer (hier nicht dargestellten) Steuereinrichtung aktiv so angesteuert, dass sie im Vergleich zum Normalbetreib eine höhere Abwärme erzeugen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die elektrischen Komponenten 14, 18 mit einer im Vergleich zum Normalbetreib höheren Stromstärke betrieben werden. Ebenso können die elektrischen Komponenten 14, 18 mit einer im Vergleich zum Normalbetreib höheren Schalfrequenz oder einem veränderten Pulsmuster der elektrischen Stromstärke betrieben werden. Grundsätzlich soll der Blindanteil der elektrischen Stromstärke, mit dem die elektrischen Komponenten 14, 18 betrieben werden erhöht werden. Die elektrische Komponente 14 kann mit einer solchen Stromstärke betrieben werden, die kein Drehmoment der elektrischen Maschine 16 bewirkt, aber die Verlustleistung in der elektrischen Komponente 14 und somit deren Abwärme erhöht.
Die Abwärme der elektrischen Komponenten 14, 18 wird einem Heizkreislauf 28 über die Komponente 30 zugeführt. Der Heizkreislauf 28 ist mittels eines Umschlagventils 32 mit dem Kühlmittelkreislauf 12 verbunden. Somit kann die Temperatur in dem Kühlmittelkreislauf 12 und somit die Temperatur der elektrischen Komponenten 14, 18 einfach angepasst werden.
Der Kühlmittelkreislauf 12 ist zudem mit einem Batteriekühlmittelkreislauf 34 gekoppelt, der zum Temperieren der Batterie 36 des Kraftfahrzeugs dient. Der Batteriekühlmittelkreislauf 34 umfasst einen Kühler 38 mit einem Sauglüfter 40 und eine Kältemaschine 42 bzw. einen Chiller. Das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 12 und des Batteriekühlmittelkreistaufs 34 sind über einen Ausgleichsbehälter 44 gekoppelt. Somit kann auch durch die Abwärme der elektrischen Komponenten 14, 18 die Batterie 36 des Kraftfahrzeugs erwärmt werden.
Der Betrieb der elektrischen Komponente kann auch in mehr als 2 Modi aufgeteilt sein, beispielsweise zum Schutz der Komponente selbst, zum Schutz benachbarter Komponenten oder zur Einstellung des Gesamtwirkungsgrads des Fahrzeugs. Ebenso ist eine Entscheidung, welcher Modus verwendet wird, auch in Abhängigkeit weiterer Grollen, wie z. B. der Betriebsspannung möglich.
Bezugszeichenliste

10: Kühlmittelkreisanordnung
12: Kühlmittelkreislauf
14: Elektrische Komponente
16: Elektrische Maschine
18: Elektrische Komponente
20: Temperatursensor
22: Pumpe
24: Thermostatventil
26: Komponentenkühler
28: Heizkreislauf
30: Komponente
32: Umschlagventil
34: Batteriekühlmittelkreislauf
36: Batterie
38: Kühler
40: Sauglüfter
42: Kältemaschine
44: Ausgleichsbehälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010272289 A [0003]
JP 2010272395 A [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Komponente (14, 18) eines Kraftfahrzeugs, die zum Temperieren mit einem Kühlmittelkreislauf (12) des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist, durch – Betreiben der elektrischen Komponente (14, 18) in einem ersten Betriebsmodus, falls eine Temperatur der elektrischen Komponente (14, 18) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und – Betreiben der elektrischen Komponente (14, 18) in einem zweiten Betriebsmodus, falls die Temperatur der elektrischen Komponente (14, 18) den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, wobei – die elektrische Komponente (14, 18) in dem zweiten Betriebsmodus so betrieben wird, dass sie im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus eine höhere Verlustleistung erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente (14, 18) in dem zweiten Betriebsmodus mit einer im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus höheren Stromstärke betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente (14, 18) in dem zweiten Betriebsmodus mit einer im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus höheren Schaltfrequenz betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente (14, 18) in dem zweiten Betriebsmodus mit einem im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus geänderten Pulsmuster der elektrischen Stromstärke betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente (14, 18) ein Halbleiterschalter ist und dieser in dem zweiten Betriebsmodus mit einer im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus geringeren Steuerspannung betrieben wird.
Temperieranordnung für ein Kraftfahrzeug mit – einer elektrischen Komponente (14, 18), und – einer Steuereinrichtung zum Betreiben der elektrischen Komponente (14, 18) in einem ersten Betriebsmodus, falls eine Temperatur der elektrischen Komponente (14, 18) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und – zum Betreiben der elektrischen Komponente (14, 18) in einem zweiten Betriebsmodus, falls die Temperatur der elektrischen Komponente (14, 18) den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, wobei – die elektrische Komponente (14, 18) in dem zweiten Betriebsmodus im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus eine höhere Verlustleistung erzeugt.
Kraftfahrzeug mit einer Temperieranordnung nach Anspruch 6.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente (14, 18) zum Temperieren mit einem Kühlmittelkreislauf (12) des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist, der mit zumindest einer weiteren Komponente gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Temperieranordnung mit einem weiteren Kühlmittelkreislauf (34) des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kühlmittelkreislauf (34) mit einer Batterie (36) des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist.