DE102013222599A1

DE102013222599A1 - Integrierte Drosselspulenanordnung

Info

Publication number: DE102013222599A1
Application number: DE102013222599.7A
Authority: DE
Inventors: Behzad Vafakhah; Shailesh Shrikant Kozarekar; 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: CN103802650A; US20140132379A1; CN103802650B

Abstract

Ein Fahrzeug ist mit einem Getriebe, das eine Kammer definiert, und einer in der Kammer montierten Spule versehen. Die Spule definiert einen Hohlraum. Des Weiteren enthält das Fahrzeug einen Kern mit mindestens zwei Vorsprüngen, die von der Spule radial nach außen beabstandet und voneinander winkelförmig beabstandet sind, um dazwischen Öffnungen zu definieren. Weiterhin enthält der Kern ein erstes und ein zweites Ende, die durch eine sich durch den Hohlraum erstreckende Stütze miteinander verbunden sind.

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, das eine Kammer definiert, und einer in der Kammer montierten Spule versehen. Die Spule definiert einen Hohlraum. Des Weiteren enthält das Fahrzeug einen Kern mit mindestens zwei Vorsprüngen, die von der Spule radial nach außen beabstandet und voneinander winkelförmig beabstandet sind, um dazwischen Öffnungen zu definieren. Des Weiteren enthält der Kern ein erstes und ein zweites Ende, die durch eine Stütze, die sich durch den Hohlraum erstreckt, miteinander verbunden sind.
Bei einer anderen Ausführungsform ist eine integrierte Drosselspulenanordnung mit einer Spule versehen, die einen Hohlraum und einen Kern definiert, der mindestens zwei Vorsprünge aufweist, die von der Spule radial nach außen beabstandet und durch ein erstes und ein zweites Ende miteinander verbunden sind. Die Vorsprünge sind winkelförmig voneinander beabstandet, um zwischen benachbarten Vorsprüngen Öffnungen zu definieren. Des Weiteren enthält der Kern eine Stütze, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende durch den Hohlraum erstreckt. Der Kern ist als eine einstückige Struktur um die Spule herum ausgebildet.
Bei noch einer anderen Ausführungsform ist ein Spannungswandler mit einer Spule, einem Kern und mindestens zwei Schaltern versehen. Die Spule definiert einen Hohlraum und ist in einer Getriebekammer montiert. Der Kern weist eine Stütze, die sich durch den Hohlraum erstreckt, und mindestens zwei Vorsprünge auf, die von der Spule radial nach außen beabstandet und voneinander winkelförmig beabstandet sind, um Öffnungen zu definieren. Die Schalter sind außerhalb des Getriebes montiert und stehen mit der Spule in Verbindung.
Somit bietet die Drosselspulenanordnung Vorteile gegenüber bestehenden Drosselspulenanordnungen, indem sie direkte Kühlung des Leiters und Kerns ermöglicht. Weiterhin gewährleistet die Drosselspulenanordnung eine vereinfachte, integrierte Struktur ohne Vergussmasse oder zusätzliche Gehäuse und Kälteplatten.
Darüber hinaus vereinfacht diese integrierte Struktur die Montage und das Packaging der Drosselspulenanordnung im 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 vergrößerte perspektivische Seitenansicht eines Leiters und eines Isolators der Drosselspulenanordnung von 1;
7 ist eine perspektivische Vorderansicht der Drosselspulenanordnung von 1;
8 ist eine Schnittansicht der Drosselspulenanordnung von 7 entlang der Schnittlinie 8-8;
9 ist eine perspektivische Vorderansicht der Drosselspulenanordnung von 1, die die Wärmeübertragung zeigt;
10 ist eine Matrize zur Herstellung eines magnetischen Kerns der Drosselspulenanordnung von 1; und
11 ist eine auseinandergezogene Ansicht, die einen Prozess zur Herstellung der Drosselspulenanordnung von 1 unter Verwendung der Matrize von 10 darstellt.
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 Drosselspulenanordnung 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 breit.
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 beliebige 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 einen 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 96. 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 eine 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 auseinandergezogene Ansicht der Drosselspulenanordnung 14 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Drosselspulenanordnung 14 ist in dem Getriebe montiert und wird durch Getriebefluid direkt gekühlt. Die Drosselspulenanordnung enthält einen Leiter 210, einen Kern 212 und einen Isolator 214, die integral miteinander ausgebildet sind.
Der Leiter 210 ist aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel Kupfer, hergestellt und zu einer wendelförmigen Spule gewickelt, die einen zylindrischen Hohlraum 215 um eine Längsachse A-A definiert. Die Spule wird gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen unter Verwendung eines rechteckigen (oder flachen) leitenden Drahts durch einen Hochkantprozess gebildet. Von dem Leiter 210 erstrecken sich eine Eingangs- und Ausgangsleitung, die mit Komponenten verbunden sind, die außerhalb des Getriebes 12 montiert sind (zum Beispiel der Batterie 52 und den Schaltern 78, 80, wie in den 2 und 3 gezeigt).
Der Kern 212 ist aus einem magnetischen Material, wie zum Beispiel einem Eisen-Silizium-Legierungspulver, hergestellt. Der Kern 212 ist als eine eine Einheit bildende (einstückige) Struktur um den Leiter 210 ausgebildet. Der Kern 212 enthält ein erstes Ende 216 und ein zweites Ende 218, die durch eine Stütze 220 verbunden sind. Die Stütze 220 weist gemäß der dargestellten Ausführungsform eine zylindrische Form auf und ist um die Längsachse A-A zentriert. Das erste Ende 216 und das zweite Ende 218 erstrecken sich jeweils von einander gegenüberliegenden Enden der Stütze 220 radial nach außen.
Der Kern 212 enthält weiterhin gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zwei Vorsprünge 222, die sich zwischen den Enden 216, 218 erstrecken. Die Vorsprünge 222 sind winkelförmig voneinander beabstandet, um zwischen benachbarten Vorsprüngen Öffnungen 224 zu definieren. Der Kern 212 enthält gemäß der dargestellten Ausführungsform zwei Vorsprünge 222, die bezüglich der Achse A-A einander diametral gegenüber ausgebildet sind. Bei anderen Ausführungsformen der Drosselspulenanordnung 14 kommt ein Kern 212 mit mehr als zwei Vorsprüngen 222 in Betracht, die mehr als zwei Öffnungen bilden (nicht gezeigt).
Der Isolator 214 ist aus einem elektrisch isolierenden Polymermaterial, wie zum Beispiel Polyphenylensulfid (PPS) hergestellt. Der Isolator 214 enthält einen ersten Spulenkörper 226 und einen zweiten Spulenkörper 228, die entlang der Längsachse A-A zueinander ausgerichtet sind. Jeder Spulenkörper 226, 228 enthält eine Basis 230 mit einer Innenwand 232 und einer Außenwand 234, die sich von der Basis 230 in Längsrichtung erstrecken. Die Basis 230 ist gemäß der dargestellten Ausführungsform winkelförmig ausgebildet. Die Innen- und die Außenwand 232, 234 sind radial voneinander beabstandet, um zusammen einen röhrenförmigen Hohlraum 236 zur Aufnahme des Leiters 210 zu bilden.
Auf 6 Bezug nehmend, ist der Isolator 214 über einen Teil des Leiters 210 angeordnet. Jeder Spulenkörper 226, 228 enthält ein Paar äußerer Durchlässe 238, die durch die Außenwand 234 ausgebildet sind, um einen Teil des Leiters 210 freizugeben.
Jeder Spulenkörper 226, 228 kann auch ein Paar innerer Durchlässe 240 enthalten, die durch die Innenwand 232 ausgebildet sind. Die inneren Durchlässe 240 sind auf die äußeren Durchlässe 238 ausgerichtet. 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 7 und 8 Bezug nehmend, ist der Leiter 210 durch die im Kern 212 ausgebildeten Öffnungen 224 von außen zugänglich. Die Vorsprünge 222 sind von dem Leiter 210 radial nach außen beabstandet und sind winkelförmig voneinander beabstandet, um die Öffnungen 224 zu bilden. Die Wärmeleistung der Drosselspulenanordnung 14 verbessert sich mit größeren Öffnungen 224, da eine größere Oberfläche des Leiters 210 freiliegt. Die im Kern 212 ausgebildeten Öffnungen 224 sind auf die durch die Außenwand 234 des Isolators 214 ausgebildeten äußeren Durchlässe 238 ausgerichtet und überspannen einen wesentlichen Teil einer Höhe der Leiterspule.
Die Drosselspulenanordnung 14 kann unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Befestigungselements, das sich durch den Kern 212 erstreckt, an dem Getriebegehäuse montiert sein. Der Kern 212 enthält gemäß einer Ausführungsform einen sich axial erstreckenden Durchlass 242, der durch die Stütze 220 ausgebildet ist. Die Stütze 220 erstreckt sich durch den durch den Leiter 210 definierten zylindrischen Hohlraum 215. Der Durchlass 242 ist zur Aufnahme eines (nicht gezeigten) Befestigungselements zur Montage der Drosselspulenanordnung 14 an das Getriebegehäuse bemessen. Bei anderen Ausführungsformen enthält die Drosselspulenanordnung 14 eine massive Stütze 220 mit einer (nicht gezeigten) äußeren Halterung zur Montage an das Getriebegehäuse. Der Halter umwickelt einen Teil der Drosselspulenanordnung 14, ohne die Öffnungen 224 zu bedecken. Der Kern 212 enthält gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen Nuten 243, die in einer Außenfläche ausgebildet sind. Solche Nuten 143 können die (nicht gezeigte) Montagehalterung in Eingriff nehmen und stellen ein Drehsicherungsmerkmal bereit.
8 zeigt eine Querschnittsansicht der Drosselspulenanordnung 14 entlang der Schnittlinie 8-8 von 7. Der Isolator 214 trennt räumlich den Leiter 210 von dem Kern 212 und gewährleistet elektrische Isolierung. Der verteilte Luftspalt im Kern kann durch das Verhältnis von Isolierharzmaterial zu Magnetpulver dazu eingestellt werden, die erforderliche elektrische Leistung (den Induktivitätsverlauf für Gleichstrom) zu erhalten. Der Verzicht auf einzelne Luftspaltstücke bei dieser Ausführung vereinfacht den Herstellungsprozess.
Auf 9 Bezug nehmend, ist die Drosselspulenanordnung 14 für eine direkte Kühlung durch das Getriebefluid 96 konfiguriert. Die Drosselspulenanordnung 14 erzeugt bei verschiedenen Wandlerleistungsniveaus einen wesentlichen Leistungsverlust (bis zu 1 kW). 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. Hohe Wärmelasten können die Drosselspulenanordnung 14 beschädigen. Deshalb wird die Drosselspulenanordnung 14 unter Verwendung des Getriebefluids 96 gekühlt.
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) abgespritzte 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 9 durch die Zahl 244 gezeigt. Das Getriebefluid 96 tritt durch eine oder mehrere der Öffnungen 224 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 244 durch eine oder mehrere der Öffnungen 224 aus der Drosselspulenanordnung 14 aus.
Auf die 9–11 Bezug nehmend, wird ein Verfahren zum integralen Ausbilden der Drosselspulenanordnung 14 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt. Der Leiter 210 wird aus einem flachen Leitungsdraht hergestellt und dann zu einer Spule gewickelt, die einen zylindrischen Hohlraum 215 definiert. Die Spulenkörper 226, 228 werden (z. B. durch Formen) mit Innenwänden 232 und Außenwänden 234 ausgebildet, die radial voneinander beabstandet sind, um einen röhrenförmigen Hohlraum 236 zu definieren. Die Spulenkörper 226, 228 werden dann translatorisch aufeinander zugeschoben, so dass die Spule in dem röhrenförmigen Hohlraum 236 aufgenommen wird. Die Spulenkörper 226, 228 bilden zusammen einen Isolator 214, der über einen Teil einer Innenfläche und einer Außenfläche der Spule angeordnet ist. Der Leiter 210 und der Isolator 214 werden in eine Matrize 250 platziert. Die Matrize 250 wird mit einer Harzmischung aus Magnetpulver und Harz (nicht gezeigt) gefüllt. Die Harzmischung erstarrt unter Bildung des Kerns 212 über den Leiter 210 und den Isolator 214 als eine integrierte Drosselspulenanordnung 14.
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 2004/0045749 [0003]

Claims

Fahrzeug, umfassend: ein Getriebe, das eine Kammer definiert; eine in der Kammer montierte Spule, die einen Hohlraum definiert; und einen Kern mit mindestens zwei Vorsprüngen, die von der Spule radial nach außen beabstandet und voneinander winkelförmig beabstandet sind, um dazwischen Öffnungen zu definieren, und einem ersten und einem zweiten Ende, die durch eine Stütze, die sich durch den Hohlraum erstreckt, miteinander verbunden sind.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Getriebe ferner in der Kammer angeordnetes Fluid umfasst, und wobei das Fluid durch die Öffnungen in dem Kern und über die Spule strömt, um eine Wärmeübertragung von der Spule durch Konvektion zu erleichtern.
Fahrzeug nach Anspruch 2, 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 3, 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 der Spule angeordnet ist, um die Spule räumlich von dem Kern zu trennen.
Fahrzeug nach Anspruch 5, ferner umfassend: 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 die Stütze in einer allgemein zylindrischen Form ausgebildet und um eine Längsachse zentriert ist, und wobei die Vorsprünge ferner zwei Vorsprünge umfassen, die um die Längsachse einander diametral gegenüber beabstandet sind.