DE102013222595A1

DE102013222595A1 - Drosselspulenanordnung

Info

Publication number: DE102013222595A1
Application number: DE102013222595.4A
Authority: DE
Inventors: Shahram Zarei; Behzad Vafakhah; Jeremy R. Ikerd; Vincent Skalksi
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2014-05-15
Also published as: US10460865B2; US20140132382A1; CN103802649A

Abstract

Ein Fahrzeug ist mit einem Getriebe versehen, das eine Kammer mit darin enthaltenem Fluid aufweist. Das Fahrzeug enthält einen Kern und einen Leiter, die in der Kammer montiert sind. Der Kern enthält ein paar Elemente, die entlang einer Längsachse zueinander ausgerichtet sind. Jedes Element enthält eine Basis mit einer Stütze und mindestens zwei Vorsprüngen, die sich von der Basis in Längsrichtung erstrecken. Der Leiter ist über die Stützen angeordnet und dazu konfiguriert, das Fluid durch eine zwischen benachbarten Vorsprüngen ausgebildete Öffnung zu empfangen.

Description

Eine oder mehrere Ausführungsformen betreffen eine Drosselspulenanordnung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers (DC-DC-Wandlers).
Der Begriff "Elektrofahrzeug", wie er hier verwendet wird, umfasst Fahrzeuge mit einer elektrischen Maschine für den Fahrzeugantrieb, wie zum Beispiel batterie-elektrische Fahrzeuge (BEVs, BEV – battery electric vehicle), Hybridelektrofahrzeuge (HEVs, HEV – hybrid electric vehicle) und Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEVs, PHEV – plug-in hybrid electric vehicle). Ein BEV enthält eine elektrische Maschine, wobei die Energiequelle für die elektrische Maschine eine Batterie ist, die von einem externen Elektrizitätsnetz wiederaufgeladen werden kann. Bei einem BEV ist die Batterie die Energiequelle für den Fahrzeugantrieb. Ein HEV enthält einen Verbrennungsmotor und eine oder mehrere elektrische Maschinen, wobei die Energiequelle für den Verbrennungsmotor Kraftstoff ist und die Energiequelle für die elektrische Maschine eine Batterie ist. Bei einem HEV ist der Verbrennungsmotor die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, wobei die Batterie zusätzliche Energie für den Fahrzeugantrieb bereitstellt (die Batterie speichert Kraftstoffenergie und gewinnt kinematische Energie in elektrischer Form zurück). Ein PHEV ist wie ein HEV, aber das PHEV hat eine Batterie mit größerer Kapazität, die vom externen Elektrizitätsnetz wiederaufgeladen werden kann. Bei einem PHEV ist die Batterie die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, bis sich die Batterie auf eine niedrige Energiehöhe entleert, zu welchem Zeitpunkt dann das PHEV wie ein HEV für Fahrzeugantrieb wirkt.
Elektrofahrzeuge können einen Spannungswandler (Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler) enthalten, der zwischen der Batterie und der elektrischen Maschine verbunden ist. Elektrofahrzeuge, die elektrische Wechselstrommaschinen aufweisen, enthalten auch einen zwischen dem DC-DC-Wandler und der elektrischen Maschine verbundenen Umrichter. Das Spannungspotential wird durch einen Spannungsregler erhöht ("hochgesetzt") oder verringert ("tiefgesetzt"), um Drehmomentfähigkeitsoptimierung zu erleichtern. Der DC-DC-Wandler enthält eine Drosselspulen-(oder Reaktor-)Anordnung, Schalter und Dioden. Eine typische Drosselspulenanordnung enthält eine leitende Spule, die um einen magnetischen Kern gewickelt ist. Die Drosselspulenanordnung erzeugt Wärme, wenn Strom durch die Spule fließt. Ein bestehendes Verfahren zum Kühlen des DC-DC-Wandlers durch Zirkulieren von Fluid durch eine Leitung, die sich nahe der Drosselspule befindet, wird in der US 2004/0045749 von Jaura et al. offenbart.
Bei einer Ausführungsform ist ein Fahrzeug mit einem Getriebe versehen, das eine Kammer mit darin enthaltenem Fluid definiert. Das Fahrzeug enthält einen Kern und einen Leiter, die in der Kammer montiert sind. Der Kern enthält ein paar Elemente, die entlang einer Längsachse zueinander ausgerichtet sind. Jedes Element enthält eine Basis mit einer Stütze und mindestens zwei Vorsprüngen, die sich von der Basis in Längsrichtung erstrecken. Der Leiter ist über die Stützen angeordnet und dazu konfiguriert, das Fluid durch eine zwischen benachbarten Vorsprüngen ausgebildete Öffnung zu empfangen.
Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Drosselspulenanordnung mit einem Kern und einem Leiter versehen. Der Kern enthält ein paar Elemente, die entlang einer Längsachse zueinander ausgerichtet sind, wobei jedes Element eine Basis mit einer Stütze und mindestens zwei Vorsprüngen aufweist, die sich in Längsrichtung von der Basis erstrecken. Die Vorsprünge sind radial von der Stütze beabstandet und winkelförmig voneinander beabstandet. Der Leiter ist über die Stützen angeordnet und dazu konfiguriert, Fluid durch eine zwischen benachbarten Vorsprüngen ausgebildete Öffnung zu empfangen.
Bei noch einer anderen Ausführungsform ist ein Spannungswandler mit einer in einem Getriebe montierten Drosselspulenanordnung und mindestens zwei außerhalb des Getriebes montierten Schaltern versehen. Die Drosselspulenanordnung enthält einen zu einer Spule ausgebildeten Leiter und einen Kern mit einem Paar Elementen, die entlang einer Längsachse zueinander ausgerichtet sind. Jedes Element weist eine Basis mit einer sich in Längsrichtung von der Basis und in die Spule erstreckenden Stütze auf.
Somit bietet die Drosselspulenanordnung Vorteile gegenüber bestehenden Drosselspulenanordnungen, indem sie direkte Kühlung des Leiters und Kerns ermöglicht. Weiterhin gewährleistet die Drosselspulenanordnung eine vereinfachte, Struktur ohne Vergussmasse oder zusätzliche Gehäuse und Kälteplatten. Darüber hinaus vereinfacht diese Struktur die Montage und das Packaging der Drosselspulenanordnung in dem Getriebe und minimiert elektromagnetische Störungen (EMI – Electromagnetic Interference) und die Streuinduktivität, indem der Leiter mit dem magnetischen Kern im Wesentlichen umgeben wird.
1 ist eine Vorderansicht eines Getriebes und eines variablen Spannungswandlers (VVC – variable voltage converter) mit einer Drosselspulenanordnung, die in dem Getriebe montiert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 ist ein Schemadiagramm eines Fahrzeugs mit dem Getriebe und dem VVC von 1;
3 ist ein Schaltschema des VVC von 1;
4 ist eine Schnittansicht einer Drosselspulenanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform;
5 ist eine auseinandergezogene perspektivische Seitenansicht der Drosselspulenanordnung von 1;
6 ist eine perspektivische Seitenansicht der Drosselspulenanordnung von 1;
7 ist Schnittansicht der Drosselspulenanordnung von 6 entlang der Schnittlinie 7-7;
8 ist eine perspektivische Vorderansicht der Drosselspulenanordnung von 1, die das Kernelement zeigt;
9 ist eine perspektivische Draufsicht des Getriebes von 1.
Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgestaltet werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details der besonderen Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die in dieser Anmeldung offenbart werden, sollen daher nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise auszuüben ist.
Auf 1 Bezug nehmend, wird ein DC-DC-Wandler gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt und durch die Bezugszahl 10 allgemein bezeichnet. Der DC-DC-Wandler 10 kann auch als ein variabler Spannungswandler (VVC) 10 bezeichnet werden. Der VVC 10 ist eine Anordnung mit Komponenten, die sowohl innerhalb als auch außerhalb eines Getriebes 12 montiert sind. Der VVC 10 enthält eine Drosselspulenanordnung 14, die in dem Getriebe 12 montiert ist, und mehrere Schalter und Dioden (in 3 gezeigt), die außerhalb des Getriebes 12 montiert sind. Durch Montieren der Drosselspulenanordnung 14 in dem Getriebe 12, kann die Anordnung 14 durch Getriebefluid direkt gekühlt werden, was eine vereinfachte Ausführung gestattet.
Auf 2 Bezug nehmend, wird das Getriebe 12 in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) 16 gezeigt, wobei es sich um ein elektrisches Fahrzeug handelt, das durch eine elektrische Maschine 18 mit Unterstützung von einem Verbrennungsmotor 20 angetrieben wird und mit einem externen Elektrizitätsnetz verbindbar ist. Die elektrische Maschine 18 ist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ein elektrischer Wechselstrommotor und wird als "Elektromotor" 18 in 2 gezeigt. Die elektrische Maschine 18 empfängt elektrische Energie und stellt Antriebsdrehmoment für den Fahrzeugantrieb bereit. Die elektrische Maschine 18 wirkt auch als Generator zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie durch Nutzbremsung.
Das Getriebe 12 weist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen eine Leistungsverteilungskonfiguration auf. Das Getriebe 12 enthält die erste elektrische Maschine 18 und eine zweite elektrische Maschine 24. Die zweite elektrische Maschine 24 ist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ein elektrischer Wechselstrommotor und wird in 2 als "Generator" 24 gezeigt. Wie die erste elektrische Maschine 18 empfängt die zweite elektrische Maschine 24 elektrische Energie und stellt Ausgangsdrehmoment bereit. Die zweite elektrische Maschine 24 wirkt auch als Generator zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und Optimierung von Energiefluss durch das Getriebe 12.
Das Getriebe 12 enthält ein Planetengetriebe 26, das ein Sonnenrad 28, einen Planetenträger 30 und ein Hohlrad 32 enthält. Das Sonnenrad 28 ist mit einer Ausgangswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 zum Empfang von Generatordrehmoment verbunden. Der Planetenträger 30 ist mit einer Ausgangswelle des Motors 20 zum Empfang von Motordrehmoment verbunden. Das Planetengetriebe 26 kombiniert das Generatordrehmoment und das Motordrehmoment und liefert ein kombiniertes Ausgangsdrehmoment um das Hohlrad 32. Das Planetengetriebe 26 wirkt als ein stufenloses Getriebe, ohne irgendwelche festen oder "abgestuften" Verhältnisse.
Das Getriebe 12 enthält gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen auch eine Freilaufkupplung (O.W.C. – one-way clutch) und eine Generatorbremse 33. Die O.W.C ist mit der Ausgangswelle des Motors 20 gekoppelt, um eine Drehung der Ausgangswelle nur in einer Richtung zu gestatten. Die O.W.C verhindert einen Rückwärtsantrieb des Motors 20 durch das Getriebe 12. Die Generatorbremse 33 ist mit der Ausgangswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 gekoppelt. Die Generatorbremse 33 kann aktiviert werden, um die Ausgangswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 und des Sonnenrads 28 zu "bremsen" oder ihre Drehung zu verhindern. Bei anderen Ausführungsformen wird auf die O.W.C. und Generatorbremse 33 verzichtet, und sie sind durch Steuerstrategien für den Motor 20 und die zweite elektrische Maschine 24 ersetzt.
Das Getriebe 12 enthält eine Vorgelegewelle mit Zwischenzahnrädern, die ein erstes Zahnrad 34, ein zweites Zahnrad 36 und ein drittes Zahnrad 38 umfassen. Ein Planetenausgangsrad 40 ist mit dem Hohlrad 32 verbunden. Das Planetenausgangsrad 40 kämmt mit dem ersten Zahnrad 34 zur Übertragung von Drehmoment zwischen dem Planetengetriebe 26 und der Vorgelegewelle. Ein Ausgangsrad 42 ist mit einer Ausgangswelle der ersten elektrischen Maschine 18 verbunden. Das Ausgangsrad 42 kämmt mit dem zweiten Zahnrad 36 zur Übertragung von Drehmoment zwischen der ersten elektrischen Maschine 18 und der Vorgelegewelle. Ein Getriebeausgangsrad 44 ist mit einer Antriebswelle 46 verbunden. Die Antriebswelle 46 ist durch ein Differenzial 50 mit einem Paar angetriebener Räder 48 verbunden. Das Getriebeausgangsrad 44 kämmt mit dem dritten Zahnrad 38 zur Übertragung von Drehmoment zwischen dem Getriebe 12 und den angetriebenen Rädern 48.
Das Fahrzeug 16 enthält eine Energiespeichervorrichtung, wie zum Beispiel eine Batterie 52, zum Speichern von elektrischer Energie. Die Batterie 52 ist eine Hochspannungsbatterie, die elektrische Energie zum Betrieb der ersten elektrischen Maschine 18 und der zweiten elektrischen Maschine 24 ausgeben kann. Die Batterie 52 empfängt auch elektrische Energie von der ersten elektrischen Maschine 18 und der zweiten elektrischen Maschine 24, wenn sie als Generatoren betrieben werden. Die Batterie 52 ist ein Batteriesatz, der aus mehreren (nicht gezeigten) Batteriemodulen besteht, wobei jedes Batteriemodul mehrere (nicht gezeigte) Batteriezellen enthält. Bei anderen Ausführungsformen des Fahrzeugs 16 kommen verschiedene Arten von Energiespeichervorrichtungen, wie zum Beispiel Kondensatoren und Brennstoffzellen (nicht gezeigt), die die Batterie 52 ergänzen oder ersetzen, in Betracht. Ein Hochspannungsbus verbindet die Batterie 52 elektrisch mit der ersten elektrischen Maschine 18 und mit der zweiten elektrischen Maschine 24.
Das Fahrzeug enthält ein Batterieenergiesteuermodul (BECM) 54 zur Steuerung der Batterie 52. Das BECM 54 empfängt eine Eingabe, die Fahrzeugzustände und Batteriezustände, wie zum Beispiel Batterietemperatur, -spannung und -strom, anzeigen. Das BECM 54 berechnet und schätzt Batterieparameter, wie zum Beispiel den Batterieladezustand (BSOC – battery state of charge) und die Batterieleistungsfähigkeit (P_cap – battery power capability). Das BECM 54 liefert eine Ausgabe (BSOC, P_cap), die den BSOC und die Batterieleistungsfähigkeit für andere Fahrzeugsysteme und -steuerungen anzeigt.
Das Getriebe 12 enthält den VVC 10 und einen Umrichter (INV – inverter) 56. Der VVC 10 und der Umrichter 56 sind zwischen der Hauptbatterie 52 und der ersten elektrischen Maschine 18 und zwischen der Batterie 52 und der zweiten elektrischen Maschine 24 elektrisch verbunden. Das Spannungspotential der von der Batterie 52 zugeführten elektrischen Energie wird durch den VVC 10 "hochgesetzt" oder erhöht. Des Weiteren wird das Spannungspotential der von der Batterie 52 zugeführten elektrischen Energie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen durch den VVC 10 "tiefgesetzt" oder verringert. Die von der Hauptbatterie 52 (durch den VVC 10) zugeführte Gleichstromenergie wird durch den Umrichter 56 in Wechselstromenergie zum Betrieb der elektrischen Maschinen 18, 24 wechselgerichtet. Weiterhin wird die durch die elektrischen Maschinen 18, 24 zugeführte Wechselstromenergie durch den Umrichter 56 in DC gleichgerichtet, um die Hauptbatterie 52 zu laden. Andere Ausführungsformen des Getriebes 12 enthalten mehrere (nicht gezeigte) Umrichter, wie zum Beispiel einen jeder elektrischen Maschine 18, 24 zugeordneten Umrichter.
Das Getriebe 12 enthält ein Getriebesteuermodul (TCM – transmission control module) 58 zur Steuerung der elektrischen Maschinen 18, 24, des VVC 10 und des Umrichters 56. Das TCM 58 ist dazu konfiguriert, unter anderem die Position, die Drehzahl und den Energieverbrauch der elektrischen Maschinen 18, 24 zu überwachen. Des Weiteren überwacht das TCM 58 elektrische Parameter (zum Beispiel Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen in dem VVC 10 und im Umrichter 56. Das TCM 58 liefert Ausgangssignale, die diesen Informationen entsprechen, zu anderen Fahrzeugsystemen.
Das Fahrzeug 16 enthält eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC – vehicle system controller) 60, die mit anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen kommuniziert, um ihre Funktion zu koordinieren. Obgleich die VSC 60 als eine einzige Steuerung gezeigt wird, kann sie mehrere Steuerungen umfassen, die zur Steuerung mehrerer Fahrzeugsysteme gemäß einer Gesamtfahrzeugsteuerlogik oder -software verwendet werden können.
Die Fahrzeugsteuerungen, einschließlich der VSC 60 und des TCM 58, enthalten im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speichern (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und Softwarecode zum Zusammenwirken miteinander zwecks Durchführung einer Reihe von Operationen. Die Steuerungen enthalten weiterhin vorbestimmte Daten oder "Nachschlagetabellen", die auf Berechnungen und Testdaten basieren und im Speicher gespeichert sind. Die VSC 60 kommuniziert mit anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen (zum Beispiel dem BECM 54 und dem TCM 58) über eine oder mehrere verdrahtete oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung von gemeinsamen Busprotokollen (zum Beispiel CAN und LIN). Die VSC 60 empfängt Eingaben (PRND), die eine aktuelle Position des Getriebes 12 (zum Beispiel Parken, Rückwärtsfahrt, Neutral oder Fahrt) darstellen. Des Weiteren empfängt die VSC 60 Eingaben (APP – accelerator pedal position), die eine Fahrpedalstellung darstellen. Die VSC 60 stellt eine Ausgabe, die ein Sollradmoment, eine Sollmotordrehzahl und einen Generatorbremsbefehl an das TCM 58 darstellt, und Schützsteuerung für das BECM 54 bereit.
Das Fahrzeug 16 enthält ein (nicht gezeigtes) Bremssystem, das ein Bremspedal, einen Auflader, einen Hauptzylinder sowie mechanische Verbindungen mit den angetriebenen Rädern 48 zur Bewirkung von Reibbremsung enthält. Des Weiteren enthält das Bremssystem Positionssensoren, Drucksensoren oder eine belieibge Kombination davon zur Bereitstellung von Informationen, wie zum Beispiel der Bremspedalstellung (BPP – brake pedal position), die einer Fahreranforderung nach Bremsmoment entspricht. Des Weiteren enthält das Bremssystem ein Bremssystemsteuermodul (BSCM – brake system control module) 62, das mit der VSC 60 kommuniziert, um Nutzbremsung und Reibbremsung zu koordinieren. Das BSCM 62 liefert der VSC 60 gemäß einer Ausführungsform einen Nutzbremsbefehl.
Das Fahrzeug 16 enthält ein Motorsteuermodul (ECM – engine control module) 64 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 20. Die VSC 60 liefert dem ECM 64 eine Ausgabe (das Sollmotordrehmoment), das auf mehreren Eingangssignalen, einschließlich APP, basiert und einer Fahreranforderung nach Fahrzeugantrieb entspricht.
Das Fahrzeug 16 ist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen als ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) konfiguriert. Die Batterie 52 empfängt periodisch Wechselstromenergie von einer externen Energieversorgung oder einem externen Elektrizitätsnetz über einen Ladeport 66. Des Weiteren enthält das Fahrzeug 16 ein Bord-Ladegerät 68, das die Wechselstromenergie von dem Ladeport 66 erhält. Das Ladegerät 68 ist ein AC/DC-Wandler, der die empfangene Wechselstromenergie in zum Laden der Batterie 52 geeignete Gleichstromenergie umwandelt. Das Ladegerät 68 führt wiederum der Batterie 52 beim Aufladen Gleichstromenergie zu.
Trotz Darstellung und Beschreibung im Zusammenhang mit einem PHEV 16 versteht sich, dass Ausführungsformen des VVC 10 an anderen Arten von Elektrofahrzeugen, wie zum Beispiel einem HEV oder einem BEV, implementiert werden können.
Auf 3 Bezug nehmend, enthält der VVC 10 eine erste Schalteinheit 78 und eine zweite Schalteinheit 80 zum Verstärken der Eingangsspannung (V_bat) zur Bereitstellung von Ausgangsspannung (V_dc). Die erste Schalteinheit 78 enthält einen ersten Transistor 82, der mit einer ersten Diode 84 parallelgeschaltet ist, wobei ihre Polaritäten jedoch umgekehrt (antiparallel) sind. Die zweite Schalteinheit 80 enthält einen zweiten Transistor 86, der antiparallel zu der zweiten Diode 88 geschaltet ist. Jeder Transistor 82, 86 kann irgendeine Art von steuerbarer Schalter sein (zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT – insulated gate bipolar transistor) oder ein Feldeffekttransistor (FET)). Darüber hinaus wird jeder Transistor 82, 86 durch das TCM 58 individuell gesteuert. Die Drosselspulenanordnung 14 ist als eine Eingangs-Drosselspule gezeigt, die zwischen der Hauptbatterie 52 und den Schalteinheiten 78, 80 in Reihe geschaltet ist. Die Drosselspule 14 erzeugt Magnetfluss, wenn ein Strom zugeführt wird. Wenn sich der die Drosselspule 14 durchfließende Strom ändert, wird ein zeitverändliches Magnetfeld erzeugt, und es wird eine Spannung induziert. Andere Ausführungsformen des VVC 10 enthalten andere Schaltungskonfigurationen (zum Beispiel mehr als zwei Schalter).
Erneut auf 1 Bezug nehmend, enthält das Getriebe 12 ein Getriebegehäuse 90, das ohne Abdeckung dargestellt wird, um innere Komponenten zu zeigen. Wie oben beschrieben, enthalten der Verbrennungsmotor 20, der Elektromotor 18 und der Generator 24 Ausgangszahnräder, die mit entsprechenden Zahnrädern des Planetengetriebes 26 kämmen. Diese mechanischen Verbindungen sind in einer inneren Kammer 92 des Getriebegehäuses 90 vorgesehen. Ein Leistungselektronikgehäuse 94 ist an einer Außenfläche des Getriebes 12 montiert. Der Umrichter 56 und das TCM 58 sind in dem Leistungselektronikgehäuse 94 montiert. Der VVC 10 enthält Komponenten (zum Beispiel die in 3 gezeigten Schalter 78, 80 und Dioden 84, 88), die in dem Leistungselektronikgehäuse 94 montiert sind, und die Drosselspulenanordnung 14, die in der Kammer 92 des Getriebegehäuses 90 montiert ist.
Das Getriebe 12 enthält ein Fluid 96, wie zum Beispiel Öl, zum Schmieren und Kühlen der in der Getriebekammer 92 positionierten Zahnräder (zum Beispiel der Zwischenzahnräder 34, 36, 38). Die Getriebekammer 92 ist abgedichtet, um das Fluid 96 festzuhalten. Des Weiteren enthält das Getriebe 12 Pumpen und Leitungen (nicht gezeigt) zum Zirkulieren des Fluids. Das Getriebe 12 kann (nicht gezeigte) Düsen enthalten, um das Fluid 96 direkt auf Komponenten im Gehäuse 90 zu spritzen. Darüber hinaus können rotierende Komponenten (zum Beispiel das zweite Zahnrad 36) das Fluid 96 auf andere Komponenten spritzen. Weiterhin sammelt sich das Fluid 96 in einem unteren Bereich der Kammer 92 an. Deshalb können Komponenten in einem unteren Teil des Gehäuses 90 montiert sein, so dass sie in das Fluid 96 eingetaucht werden. Die Drosselspulenanordnung 14 ist so in der Getriebekammer 92 montiert, dass sie durch das Getriebefluid 96 durch Sprühen, Spritzen und/oder Eintauchen direkt gekühlt wird.
4 zeigt eine Drosselspulenanordnung 100, die für indirekte Kühlung gemäß einem bestehenden Verfahren konfiguriert ist. Solch eine Drosselspulenanordnung 100 ist außerhalb des Getriebegehäuses 90 (zum Beispiel innerhalb des Leistungselektronikgehäuses 94 von 1) montiert. Die Drosselspulenanordnung 100 enthält einen Leiter 110, der um einen magnetischen Kern 112 gewickelt ist. Der magnetische Kern 112 enthält mehrere Kernelemente, die zur Definition von Luftspalte 114 beabstandet sind. Abstandselemente aus Keramik können zwischen den Kernelementen platziert sein, um die Luftspalte 114 aufrechtzuerhalten. Die Drosselspulenanordnung 100 ist in einem Drosselspulengehäuse 116 (zum Beispiel einem Aluminiumgehäuse) eingekapselt, und Leerraum um die Drosselspulenanordnung 100 herum ist mit einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Vergussmasse 118 gefüllt. Das Drosselspulengehäuse 116 ist an einer Kälteplatte 120 geklemmt, und Wärmeleitpaste 122 ist zwischen dem Drosselspulengehäuse 116 und der Kälteplatte 120 aufgebracht. Durch die Kälteplatte 120 ist ein Durchgang 124 ausgebildet. Kaltes Fluid oder Kühlmittel (zum Beispiel 50% Wasser und 50% Ethylenglykol) durchströmen den Durchgang 124. Wärme wird durch Leitung von dem Leiter 110 und dem Kern 112 zur Vergussmasse 118 und dann zu dem Gehäuse 116, der Wärmeleitpaste 122 und schließlich auf die Kälteplatte 120 übertragen. Wärme von der Kälteplatte 120 wird durch Konvektion auf das durch den Durchgang 124 fließende Kühlmittel übertragen. Darüber hinaus kann die Kälteplatte 120 Rippen 126 zur Übertragung von Wärme durch Konvektion an die umgebende Luft enthalten.
Der Wärmewiderstand des Wärmeübertragungswegs vom Leiter 110 zu dem durch den Durchgang 124 der Kälteplatte 120 fließenden Kühlmittel ist hoch. Die Wärmeleitpaste 122, die Vergussmasse 118 und die Kälteplatte 120 tragen wesentlich zu diesem Widerstand bei. Infolgedessen ist die Wärmeleistung dieser vergossenen Drosselspulenanordnung 100 begrenzt, und die Temperatur der Drosselspulenanordnung 100 an verschiedenen Stellen nimmt zu und kann bei hohen elektrischen Energiebelastungen vorbestimmte Temperaturgrenzen übersteigen. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine Steuerung (zum Beispiel das TCM von 1) die Leistung der Drosselspulenanordnung 100 begrenzen, wenn Temperaturen der Drosselspulenanordnung 100 solche vorbestimmten Grenzen übersteigen.
Die Temperatur der Drosselspulenanordnung 100 hängt von der durch den Leiter 110 fließenden Stromhöhe und dem Spannungspotential am Leiter 110 ab. Jüngste Trends bei Elektrofahrzeugen beinhalten eine höhere Strombelastbarkeit der Drosselspule. Zum Beispiel führen eine erhöhte Batterieleistung für den erweiterten elektrischen Bereich bei PHEVs und reduzierte Batteriezellen für die gleiche Leistung bei HEVs zu einem erhöhten Drosselspulennennstrom in Elektrofahrzeugen. Darüber hinaus führt eine reduzierte Batteriespannung auch zu einer Erhöhung der Drosselspulen-Wechselstromverluste aufgrund eines höheren Betrags an Wellenstrom hoher Frequenz. Aufgrund der zusätzlichen Wärmeerzeugung erhöht sich deshalb allgemein die Temperatur der Drosselspulenanordnung 100, und wenn keine Wärme abgeführt wird, kann die Drosselspulentemperatur vorbestimmte Grenzen übersteigen. Eine Lösung besteht darin, die Querschnittsfläche der Leiterspule zu vergrößern, um Drosselspulenverluste zu reduzieren und auch die Wärmeabführung (aufgrund der größeren Oberfläche) zu verbessern. Solche Änderungen vergrößern jedoch die Gesamtabmessungen der Drosselspulenanordnung. Eine größere Drosselspulenanordnung kann jedoch bei allen Fahrzeuganwendungen schwieriger unterzubringen sein, und größere Komponenten beeinflussen nachteilig die Fahrzeugkraftstoffökonomie und -kosten.
Anstatt die Abmessungen der Drosselspulenanordnung 100 zwecks Verbesserung der Wärmeleistung und Wärmekapazität der Drosselspule zu verbessern, kann die Drosselspulenanordnung 100 in der Getriebekammer 92 montiert sein und durch Verwendung von Getriebefluid 96 direkt gekühlt werden, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Das Getriebefluid 96 ist ein elektrischer Isolator, der in direktem Kontakt mit elektrischen Komponenten (zum Beispiel dem Leiter 110 und dem Kern 112) verwendet werden kann. Es kann jedoch auf mit der Drosselspulenanordnung 100 in Verbindung stehende überzählige Komponenten verzichtet werden, wenn die Anordnung 100 mit solch einer direkten Kühlung beaufschlagt wird. Zum Beispiel kann auf die Vergussmasse 118 und das Aluminiumgehäuse 116 verzichtet werden. Die Vergussmasse 118 und das Gehäuse 116 stützen jedoch den Leiter 110 und den Kern 112. Darüber hinaus sind Schwingungen in dem Getriebe 12 stärker als außerhalb davon. Deshalb wird für den Verzicht auf die Vergussmasse 118 und das Gehäuse 116 die Gesamtstruktur der Drosselspulenanordnung 100 geändert und die Anordnung innerhalb des Getriebes 12 montiert.
5 zeigt eine Drosselspulenanordnung 14, die zur Montage in dem Getriebe konfiguriert ist und durch Getriebefluid direkt gekühlt wird. Die Drosselspulenanordnung 14 enthält einen Leiter 210, einen Kern 212 und einen Isolator 114. Der Leiter 210 ist aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel Kupfer, hergestellt und zu einer wendelförmigen Spule gewickelt, die eine zylindrische Form aufweist. Die Spule wird gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen unter Verwendung eines rechteckigen (oder flachen) leitenden Drahts durch einen Hochkantprozess gebildet. Von der Spule erstrecken sich eine Eingangs- und eine Ausgangsleitung.
Der Kern 212 ist aus einem magnetischen Material, wie zum Beispiel einem Eisen-Silizium-Legierungspulver, hergestellt. Der Kern 212 enthält ein erstes Kernelement 216 und ein zweites Kernelement 218, die entlang einer Längsachse ("A-A") zueinander ausgerichtet sind. Die Kernelemente 216, 218 sind gemäß einer Ausführungsform identisch. Jedes Kernelement 216, 218 enthält eine Basis 220 mit einer Stütze 222, die sich in Längsrichtung von der Basis 220 erstreckt. Die Stütze 222 weist eine zylindrische Form auf und ist gemäß der dargestellten Ausführungsform um die Längsachse A-A zentriert.
Jedes Kernelement 216, 218 enthält außerdem eine Anordnung von Vorsprüngen 224, die sich in Längsrichtung von einem Außenumfang der Basis 220 erstrecken. Die Vorsprünge 224 sind von der Stütze 222 radial beabstandet, um einen inneren Hohlraum 226 um die Stütze 222 zur Aufnahme des Leiters 210 zu bilden. Die Vorsprünge 224 sind auch voneinander winkelförmig beabstandet, um zwischen benachbarten Vorsprüngen 224 eine Öffnung 228 zu bilden. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält jedes Kernelement 216, 218 vier Vorsprünge 224, die gleichmäßig um die Basis 220 beabstandet sind, um vier Öffnungen 228 zu bilden.
Der Isolator 214 ist aus einem elektrisch isolierenden Polymermaterial, wie zum Beispiel Polyphenylensulfid (PPS) hergestellt. Der Isolator 214 enthält einen ersten Spulenkörper 230 und einen zweiten Spulenkörper 232, die entlang der Längsachse A-A zueinander ausgerichtet sind. Jeder Spulenkörper 230, 232 enthält ein Rohr 234 mit einer Reihe von Flanschen 236, die sich radial von einem Ende des Rohrs 234 erstrecken. Wie in 7 gezeigt, ist der Leiter 210 um die Spulenkörper 230, 232 gewickelt, und die Spulenkörper 230, 232 trennen physisch den Leiter 210 von dem Kern 212 und sorgen für elektrische Isolierung. Bei anderen Ausführungsformen der Drosselspulenanordnung 14 kommt ein Isolator in Betracht, der aus Papier (zum Beispiel Nomex^®-Papier) oder einer auf den Leiter aufgebrachten Beschichtung (nicht gezeigt) hergestellt ist.
Auf die 5 und 6 Bezug nehmend, ist der Leiter 210 durch die im Kern 212 ausgebildeten Öffnungen 228 von außen zugänglich. Jeder Vorsprung 224 ist axial neben der Längsachse A-A ausgerichtet. Ein distales Ende 238 jedes Vorsprungs 224 des ersten Kernelements 216 berührt ein distales Ende 240 eines entsprechenden Vorsprungs 224 des zweiten Kernelements 218, so dass die Drosselspulenanordnung in einer allgemein zylindrischen Form ausgebildet ist, wie in 6 gezeigt. Die Öffnungen 228, die in jedem Kernelement 216, 218 ausgebildet sind, sind auf die Öffnungen 228 ausgerichtet, die in dem anderen Kernelement ausgebildet sind, um große Öffnungen zu bilden, die einen wesentlichen Teil einer Höhe der Leiterspule überspannen. Die Öffnungen 228 legen gemeinsam eine Außenoberfläche des Leiters 210 frei. Die Drosselspulenanordnung 14 empfängt Getriebefluid durch die Öffnungen 228 zum Kühlen des Leiters 210. Die Wärmeleistung der Drosselspulenanordnung 14 verbessert sich mit größeren Öffnungen 228, da eine größere Oberfläche des Leiters 210 freiliegt. Bei anderen Ausführungsformen der Drosselspulenanordnung 14 kommen Kernelemente mit zwei Vorsprüngen, mehr als vier Vorsprüngen und unregelmäßig beabstandeten und geformten Vorsprüngen zur Bereitstellung von Öffnungen mit verschiedener Größe und Form (nicht gezeigt) in Betracht.
Die Drosselspulenanordnung 14 ist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen unter Verwendung eines Halters 242 an dem Getriebegehäuse 90 montiert. Der Halter 242 kann einen Teil der Drosselspulenanordnung 14 umwickeln, ohne die Öffnungen 228 zu bedecken. Darüber hinaus kann der Halter 242 dazu bemessen sein, an die Drosselspulenanordnung 14 in einer Axialrichtung eine Vorspannkraft anzulegen, um eine Verbindung zwischen den beiden Kernelementen 216, 218 aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel enthält der Halter 242 eine Aussparung mit einer Längsabmessung, die kleiner ist als eine Höhe der Drosselspulenanordnung 14, so dass sich der Halter 242 elastisch verformt, wenn der Halter 242 an das Getriebegehäuse 90 montiert ist. Bei anderen Ausführungsformen enthält der Kern 212 einen (nicht gezeigten) axial verlaufenden Durchlass, der durch die Stütze 222 jedes Kernelements 216, 218 zur Aufnahme einer Schraube zur Montage der Drosselspulenanordnung 14 an das Getriebegehäuse 90 ausgebildet ist.
7 zeigt eine Querschnittsansicht der Drosselspulenanordnung 14 entlang der Schnittlinie 7-7 von 6. Die Stütze 222 jedes Kernelements 216, 218 weist eine Höhe auf, die kleiner ist als eine Höhe der benachbarten Vorsprünge 224. Diese Differenz führt dazu, dass die beiden Stützen 222 entlang der Längsachse A-A in Längsrichtung voneinander beabstandet sind, um einen Luftspalt 244 zu definieren. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen enthält die Drosselspulenanordnung 14 ein Abstandselement 246, das im Luftspalt 244 angeordnet ist. Das Abstandselement 246 ist gemäß einer Ausführungsform aus einem keramischen Material hergestellt. Obgleich bei der dargestellten Ausführungsform ein Luftspalt 244 gezeigt wird, der eine vorbestimmte longitudinale Höhe aufweist, kommt bei anderen Ausführungsformen der Drosselspulenanordnung 14 ein verstellbarer Luftspalt 244 in Betracht. Ein verstellbarer Luftspalt 244 kann durch Vergrößern des Gesamtlängsabstands zwischen den Stützen 222 und durch Verwendung mehrerer (nicht gezeigter) Abstandselemente, die sowohl aus Keramik- als auch aus magnetischen Materialien, die zwischen den beiden Stützen 222 gestapelt sind, hergestellt sind. Solch ein verstellbarer Luftspalt 244 würde die Einstellung der elektrischen Leistung (des Induktivitätsverlaufs für Gleichstrom) der Drosselspulenanordnung 14 gestatten.
Auf die 5–7 Bezug nehmend, wird ein Verfahren zur Montage der Drosselspulenanordnung 14 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt. Das Paar Elemente 216, 218 wird (zum Beispiel durch Formen oder Gießen) hergestellt. Des Weiteren werden die Spulenkörper 230, 232 (z. B. durch Formen) hergestellt. Der Leiter 210 wird aus einem flachen Leitungsdraht hergestellt und dann zu einer Spule 248 mit einer allgemein zylindrischen Form gewickelt. Dann wird die Spule 248 auf die Spulenkörper 230, 232 platziert. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen wird die Spule 248 mit einem Isoliermaterial (zum Beispiel Lack) überzogen, um die Spule 248 an den Spulenkörpern 230, 232 zu befestigen. Die Stützen 222 jedes Kernelements 216, 218 werden so weit in ein gegenüberliegendes Ende der Spule 248 eingeführt, bis die distalen Enden 238, 240 jedes Vorsprungs 224 entsprechende distale Enden entsprechender Vorsprünge 224 berühren. Ein (nicht gezeigter) Klebstoff kann auf die distalen Enden 238, 240 aufgebracht werden, um die Verbindung aufrechtzuerhalten. Dann wird die Drosselspulenanordnung 14 unter Verwendung eines äußeren Halters 242 an das Getriebegehäuse 90 montiert.
Auf die 8 und 9 Bezug nehmend, ist die Drosselspulenanordnung 14 für eine direkte Kühlung durch Getriebefluid 96 konfiguriert. Die Drosselspulenanordnung 14 erzeugt bei verschiedenen Wandlerleistungsniveaus einen wesentlichen Leistungsverlust. Der Leiter 210 kann aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, hergestellt sein. Wenn Strom mit einer Hochfrequenzkomponente (oder "Welligkeit") die Kupferspule durchfließt, wird ein wesentlicher Kupferverlust und eine zugehörige Magnetflusswelligkeit erzeugt, was zu einem Leistungsverlust führt. Der Leistungsverlust kann als Wärme abgeführt werden. Die Drosselspulenanordnung 14 wird unter Verwendung des Getriebefluids 96 gekühlt, um die Abführung oder Übertragung von Wärme zu erleichtern.
Die Drosselspulenanordnung 14 ist so in der Getriebekammer 92 montiert, dass sie durch das von Zahnrädern (zum Beispiel von dem in 1 gezeigten zweiten Zwischenzahnrad 36) abgespritzten Getriebefluid 96 direkt gekühlt wird. Die Drosselspulenanordnung 14 erzeugt Wärme, wenn Strom den Leiter 210 durchfließt. Wärme strömt radial von der Drosselspulenanordnung 14 weg, wie in 8 durch die Zahl 250 gezeigt. Das Getriebefluid 96 tritt durch eine oder mehrere der Öffnungen 228 in die Drosselspulenanordnung 14 ein. Wärme wird von dem Leiter 210 und dem Kern 212 durch Konvektion auf das Fluid 96 übertragen, während das Fluid 96 über die Drosselspulenanordnung 14 strömt. Dann tritt das erwärmte Fluid 252 durch eine oder mehrere der Öffnungen 228 aus der Drosselspulenanordnung 14 aus.
Somit bietet die Drosselspulenanordnung 14 Vorteile gegenüber bestehenden Drosselspulenanordnungen durch Ermöglichen einer direkten Kühlung des Leiters 210 und des Kerns 212. Des Weiteren stellt die Drosselspulenanordnung 14 eine vereinfachte Struktur ohne Vergussmasse oder zusätzliche Gehäuse und Kälteplatten, die die Wärmeableitung ineffizienter machen, bereit. Darüber hinaus vereinfacht diese Struktur die Montage und das Packaging der Drosselspulenanordnung 14 in dem Getriebe und minimiert elektromagnetische Störungen (EMI) und die Streuinduktivität dadurch, dass sie den Leiter 210 in dem magnetischen Kern 212 im Wesentlichen umgibt.
Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke dienen eher der Darstellung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20040045749 [0003]

Claims

Fahrzeug, umfassend: ein Getriebe, das eine Kammer mit darin enthaltenem Fluid definiert; einen Kern, der in der Kammer montiert ist und ein paar Elemente enthält, die entlang einer Längsachse zueinander ausgerichtet sind, wobei jedes Element eine Basis mit einer Stütze und mindestens zwei Vorsprüngen, die sich von der Basis in Längsrichtung erstrecken, aufweist; und einen Leiter, der über die Stützen angeordnet und dazu konfiguriert, das Fluid durch eine zwischen benachbarten Vorsprüngen ausgebildete Öffnung zu empfangen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Vorsprünge ferner eine Anordnung von Vorsprüngen umfassen, die um einen Außenumfang der Basis beabstandet sind.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Vorsprünge radial von der Stütze beabstandet sind, um einen Hohlraum zu bilden, wobei der Leiter eine wendelförmige Spule bildet und in dem Hohlraum angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Stützen jeweils um die Längsachse zentriert sind und in Längsrichtung voneinander beabstandet sind, um einen Luftspalt zu definieren.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei jeder Vorsprung axial neben der Längsachse ausgerichtet ist und ein distales Ende jedes Vorsprungs ein distales Ende eines entsprechenden Vorsprungs des anderen Elements berührt, so dass der Kern in einer allgemein zylindrischen Form ausgebildet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Drosselspulenanordnung mit dem Kern und dem Leiter; und einen Wandler, der dazu konfiguriert ist, eine zwischen einer Energiespeichervorrichtung und einer elektrischen Maschine übertragene Spannungsenergiehöhe einzustellen, wobei der Wandler die Drosselspulenanordnung und mindestens zwei Schalter umfasst, wobei die Schalter außerhalb des Getriebes montiert sind.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Fluid durch die Öffnungen im Kern und über den Leiter strömt, um Wärmeübertragung von den Leiter durch Konvektion zu erleichtern.
Fahrzeug nach Anspruch 7, ferner umfassend ein drehbares Element, das mit dem Getriebe gekoppelt und in der Kammer angeordnet ist, wobei das drehbare Element mit dem Fluid in Kontakt steht, um das Fluid bei Drehung auf den Kern und/oder die Spule zu verdrängen.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei das drehbare Element ferner ein Zwischenzahnrad umfasst, wobei das Zwischenzahnrad ein Ausgangszahnrad einer elektrischen Maschine zur Kopplung der elektrischen Maschine mit einer Antriebswelle in Eingriff nimmt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug ferner eine Drosselspulenanordnung umfasst, wobei die Drosselspulenanordnung die Spule, den Kern und einen Isolator aufweist, der an einem Teil des Leiters angeordnet ist, um den Leiter räumlich vom den Kern zu trennen.