DE102014220103A1 - Bedarfsgerechtes Kühlen eines Stromrichters eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Stromrichters (25) eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Kühlung des Stromrichters (25) mittels eines Flüssigkühlmittels eines Kühlkreislaufs (11) eines Verbrennungsmotors (10) des Kraftfahrzeugs freigegeben wird, wenn eine Temperatur (TInv) des Stromrichters (25) einen oberen Temperaturschwellwert erreicht oder überschreitet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Stromrichters eines Kraftfahrzeugs und eine Stromrichterkühlvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Elektromotoren, die zum Fahrzeugantrieb eingesetzt werden können, sind aus dem Bereich der Hybridfahrzeuge bekannt. Ziel ist hierbei, den Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen, bei denen dieser noch nicht sein volles Drehmoment liefert, zu unterstützen (Boostbetrieb, Turbolochkompensation). Außerdem kann durch ein aktives elektrisches Bremsen (generatorischer Betrieb) die kinetische Energie des Fahrzeuges in das elektrische Bordnetz zurückgespeist werden (Rekuperation). Der Elektromotor ist über einen Stromrichter (sog. Inverter) mit dem Bordnetz verbunden.
  • Für den motorischen Betrieb wird der Stromrichter als Wechselrichter betrieben, der die Bordnetzgleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt. Bei generatorischem Betrieb arbeitet der Stromrichter als Gleichrichter. Aufgrund der großen umgesetzten Leistungen ist eine aktive Kühlung des Stromrichters zweckmäßig.
  • Es ist möglich, den Stromrichter mit einem flüssigen Kühlmedium zu kühlen, insbesondere mit dem Kühlmedium des Verbrennungsmotor-Kühlkreislaufs. Hierzu ist der Kühlkörper des Stromrichters mit Leitungen versehen, durch die das Kühlmittel strömt und die von der Elektronik erzeugte thermische Verlustleistung abführt. Hierdurch wird erreicht, dass der Stromrichter hohe elektrische Leistungen umsetzen kann, ohne zu überhitzen.
  • Nachteilig bei dieser Anordnung ist ein negativer Einfluss auf die Lebensdauer des Stromrichters, da neben der maximalen Bauteiltemperatur auch die Größe und Anzahl der Temperaturhübe schädigungsrelevant ist. Da sich der Verbrennungsmotor nach dem Start schnell aufheizt, wird der Stromrichter ohne weitere Maßnahmen bei nahezu jeder Fahrt auf die Kühlwasser-Endtemperatur aufgeheizt. Die damit verbundene thermische Zyklenbelastung des Stromrichters führt zu einer übermäßigen Alterung des Stromrichters und kann somit einen verfrühten Ausfall des gesamten elektrischen Antriebs zur Folge haben.
  • Ein Lösungsansatz hierfür ist, einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf für die Kühlung des Stromrichters zu verwenden. Dieser Ansatz führt jedoch zu einem unerwünschten Zusatzaufwand im Fahrzeug und ist wegen der damit verbundenen Kosten zu vermeiden.
  • Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, mit der Stromrichter ausreichend gekühlt werden können, ohne dadurch jedoch unnötigen Temperaturhüben ausgesetzt zu sein.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Kühlen eines Stromrichters eines Kraftfahrzeugs und eine Stromrichterkühlvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund vor, den Stromrichter zwar mit dem Flüssigkühlmittel des Verbrennungsmotor-Kühlkreislaufs zu kühlen, den Flüssigkühlmittelstrom zum Stromrichter aber unter Berücksichtigung der Stromrichter-Temperatur freizugeben oder zu unterbinden. Zunächst wird der Stromrichter daher nicht von dem Flüssigkühlmittel des Verbrennungsmotor-Kühlkreislaufs gekühlt, sondern von der Umgebungsluft, insbesondere durch Einsatz geeigneter Kühlkörper und/oder Lüfter. Vorzugsweise werden der Stromrichter oder ein Kühlkörper des Stromrichters in einem Luftstrom angeordnet, der von einem Lüfter der elektrischen Maschine oder von einem Lüfter eines Wärmetauschers des Verbrennungsmotor-Kühlkreislaufs erzeugt wird.
  • Diese Luftkühlung reicht in vielen Fahrzyklen aus, um den Stromrichter vor unzulässig hohen Maximaltemperaturen zu schützen. Das Aufheizen des Stromrichters wird auf diese Weise verzögert und die Stromrichtertemperatur bleibt insbesondere bei kurzen Fahrzyklen deutlich unterhalb der Temperatur des Flüssigkühlmittels des Verbrennungsmotors. Erst wenn der Stromrichter ein bestimmtes Temperaturniveau erreicht hat (z.B. die Endtemperatur des Verbrennungsmotor-Kühlmittels), wird der Fluidstrom aktiviert und das Temperaturniveau auch bei hohen elektrischen Leistungen auf einem zulässigen Wert gehalten.
  • Erreicht werden kann eine solche bedarfsgerechte Stromrichterkühlung vorzugsweise durch ein schaltbares Ventil im Kühlmittelstrom zum Stromrichter und/oder eine deaktivierbare Kühlmittelpumpe.
  • Die Erfindung erhöht die Lebensdauer eines wassergekühlten Stromrichters auch bei Anbindung an Kühlkreisläufe mit hohen Kühlmittel-Endtemperaturen. Durch bedarfsgerechtes Aktivieren des Flüssigkühlmittelstroms kann eine hohe Maximalleistung auch im Dauer/Langzeitbetrieb erreicht werden. Der Implementierungsaufwand ist gering, es kann z.B. ein einfaches elektrisch betätigtes Zweipunktventil ohne hohe Anforderungen an Dichtigkeit und Schaltverhalten eingesetzt werden. Eine Integration des Ventils in den Stromrichterkühlkörper bzw. ein direkter Anbau an den Stromrichter sind möglich. Hierdurch entsteht kein zusätzlicher Integrationsaufwand beim Fahrzeughersteller, da das Ventil Teil des elektrischen Antriebs ist. Bei Integration an/in den Stromrichter kann auch ein passiv öffnendes Ventil eingesetzt werden, das bei Erreichen einer bestimmten Stromrichtertemperatur schließt. Das Ventil muss dann nicht elektrisch angesteuert werden und der Zusatzaufwand für die elektronische Signalverarbeitung entfällt. Da somit auch weniger Wärme aus dem Flüssigkühlmittels des Verbrennungsmotors entnommen wird, erreicht dieses schneller seine Endtemperatur, was sich positiv auf den Schadstoffausstoß auswirkt.
  • Eine erfindungsgemäße Stromrichterkühlvorrichtung eines Kraftfahrzeugs ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Sie kann dazu eine insbesondere programmtechnisch dafür eingerichtete Recheneinheit aufweisen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt in einer Blockansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromrichterkühlvorrichtung und ihre Einbindung in den Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs.
  • 2 zeigt in einer Blockansicht eine alternative Ausführungsform eines Stromrichters zur Verwendung in einer Stromrichterkühlvorrichtung.
  • 3 zeigt in einer Blockansicht eine weitere alternative Ausführungsform eines Stromrichters zur Verwendung in einer Stromrichterkühlvorrichtung.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es sei betont, dass die im folgenden beschriebenen und/oder in den 1 bis 3 dargestellten Ausgestaltungen von Stromrichtern, Stromrichterkühlkörpern, Ventilen, Pumpen, Auslösebedingungen und Kühlmittelführungen im Rahmen der Erfindung beliebig kombiniert werden können.
  • 1 zeigt schematisch in einer Blockansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromrichterkühlvorrichtung 100 und ihre Einbindung in den Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs.
  • Das Kraftfahrzeug weist einen Hybridantrieb auf und wird von einem Verbrennungsmotor 10 und einer elektrischen Maschine 20 angetrieben. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Flüssigkühlmittelkreislauf 11 auf, in dem Flüssigkühlmittel mittels einer Pumpe 12 umgewälzt wird. Ein Thermostatventil 13 steuert die Menge des Kühlmittels durch einen Wärmetauscher 14.
  • Die elektrische Maschine 20 wird von einem Stromrichter 25 gesteuert, der über einen elektronischen Teil 30 und einen Kühlkörper 35 verfügt, über den im Wesentlichen Leistungsbauteile, insbesondere Leistungstransistoren (z.B. MOSFETs), des elektronischen Teils 30 gekühlt werden sollen. Der Kühlkörper 35 des Stromrichters 25 weist Kühlmittelleitungen auf, die das Flüssigkühlmittel führen.
  • Das Flüssigkühlmittel für den Stromrichter 25 wird vom Verbrennungsmotor-Kühlkreislauf 11 abgezweigt. Um einen definierten Kühlmittelstrom durch den Kühlkörper 35 zu erhalten, kann optional eine hier dargestellte Stromrichter-Kühlmittelpumpe 40 zum Einsatz kommen.
  • Zur Sperrung oder Freigabe des Kühlmittelstroms durch den Kühlkörper 35 ist ein schaltbares Absperrventil 45 Teil der Stromrichterkühlvorrichtung 100, das den Kühlmittelstrom zum Stromrichter verhindert, solange eine Stromrichtertemperatur TInv einen oberen Temperaturschwellwert nicht überschreitet. Die Stromrichtertemperatur TInv wird im gezeigten Beispiel im elektronischen Teil 30 erfasst, kann jedoch ebenso im Kühlkörper 35 erfasst werden. Zur Steuerung der der Stromrichterkühlvorrichtung 100 kann eine Recheneinheit 50 vorgesehen sein, die programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Zweckmäßigerweise ist die Recheneinheit 50 wie in 2 dargestellt in den elektronischen Teil 30 des Stromrichters 25 integriert.
  • In der in 1 dargestellten Variante wird das Absperrventil 45 von der Recheneinheit 50 über ein Ansteuersignal SV angesteuert. Ebenso wird die optionale Kühlmittelpumpe 40 von der Recheneinheit 50 über ein Ansteuersignal SP angesteuert Als Eingangsgrößen für die Programmverarbeitung werden der Recheneinheit 50 die Stromrichtertemperatur TInv und optional eine Flüssigkühlmitteltemperatur TKM zugeführt. In Abhängigkeit von diesen Eingangsgrößen ermittelt die Recheneinheit 50 den erforderlichen Schaltzustand des Ventils und steuert das Ventil 45 und ggf. die Pumpe 40 an.
  • Eine bevorzugte Möglichkeit zur Ermittlung des erforderlichen Ventil-Schaltzustandes wird nachfolgend erläutert. Nach dem Start des Fahrzeugs bleibt das Ventil 45 so lange geschlossen, bis die Stromrichtertemperatur TInv den vorgegebenen oberen Temperaturschwellwert erreicht. Dieser Schwellwert kann z.B. dem Endwert (Sollwert) des Flüssigkühlmittels des Verbrennungsmotors entsprechen. Neben dem Absperrventil 45 wird auch die optional vorhandene Stromrichter-Kühlmittelpumpe 40 so angesteuert, dass nur bei geöffnetem Absperrventil 45 ein Kühlmittel-Volumenstrom zum Stromrichter 25 gefördert wird. Nach dem Abstellen des Fahrzeugs wird das Ventil 45 wieder geschlossen.
  • Durch das verzögerte Aktivieren der Flüssigkühlung wird der Stromrichter 25 in vielen Fahrszenarien (insbesondere bei Kurzstreckenfahrten) nicht auf das maximale Temperaturniveau des Flüssigkühlmittels aufgeheizt, was die Lebensdauer verlängert.
  • Um das Aufheizverhalten zusätzlich zu optimieren, kann wie in 1 dargestellt, optional die Flüssigkühlmitteltemperatur TKM der Programmverarbeitung zugeführt werden. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass das Ventil 45 immer dann (und vorzugsweise nur solange) geöffnet wird, wenn die Stromrichtertemperatur TInv größer als die die Flüssigkühlmitteltemperatur TKM ist. Ein Vorteil dieses Konzeptes liegt darin, dass auch in den Fahrsituationen, in denen sich der Stromrichter schneller erwärmt als das Kühlmittel, ein verzögertes Aufheizen der Elektronik erreicht werden kann. Zudem werden durch Schließen des Ventils 45 bei kurzzeitiger Übertemperatur des Flüssigkühlmittels Temperaturspitzen vom Stromrichter ferngehalten. Um ein zu häufiges Öffnen und Schließen des Ventils 45 zu verhindern, sind zweckmäßigerweise Schalthysteresen vorgesehen, demgemäß das Ventil 45 öffnet, wenn die Stromrichtertemperatur TInv den vorgegebenen oberen Temperaturschwellwert erreicht, und schließt, wenn die Stromrichtertemperatur TInv einen vorgegebenen unteren Temperaturschwellwert erreicht, wobei der untere Temperaturschwellwert kleiner als der obere Temperaturschwellwert ist.
  • Eine Alternative zum Einsatz eines Ventils 45 besteht darin, eine Pumpe 40 einzusetzen, die im ausgeschalten Zustand den Kühlmittelvolumenstrom zum Stromrichter 25 zuverlässig unterbindet. Die Ansteuerung der Pumpe 40 erfolgt dann analog zur beschriebenen Ansteuerung des Ventils 45.
  • Eine hinsichtlich des Integrationsaufwands beim Fahrzeughersteller besonders vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, das schaltbare Absperrventil 45 in den elektronischen Teil 30, wie in 2 dargestellt, oder den Kühlkörper 35 des Stromrichters 25 zu integrieren bzw. direkt an diesen anzubauen. Die Einheit aus Stromrichter und Ventil kann dann als komplette Baugruppe ausgeliefert und ins Fahrzeug ohne zusätzliche Bauteile eingebaut werden.
  • Eine weitere besonders einfache Realisierungsmöglichkeit ist in 3 dargestellt und besteht im Einsatz eines passiv gesteuerten Ventils 45' (z.B. Thermostatventil auf Basis von Bimetall oder Dehnstoffelement), das auf die Stromrichtertemperatur TInv reagiert und bei Erreichen des vorgegebenen oberen Schwellwerts öffnet. Ein solches Ventil ist insbesondere für eine Integration in den Stromrichter-Kühlkörper 35 geeignet und benötigt keine zusätzliche elektronische Signalverarbeitung.
  • Zusätzlich zum Einsatz der Flüssigkühlung ist es vorteilhaft, den Kühlkörper 35 des Stromrichters 25 neben den Leitungen für das Flüssigkühlmittel auch mit Kühlrippen 36 auszustatten, die eine verbesserte Wärmeabgabe an die Umgebungsluft ermöglichen. Hierdurch kann in den Phasen mit geschlossenem Ventil, also in den Phasen mit reiner Luftkühlung, eine zusätzliche Verzögerung des Aufheizens erreicht werden. Vorzugsweise sind die Kühlrippen 36 in einem Luftstrom eines Lüfters, wie in 3 eines Lüfters 21 der elektrischen Maschine 20, angeordnet.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Kühlen eines Stromrichters (25) eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Kühlung des Stromrichters (25) mittels eines Flüssigkühlmittels eines Kühlkreislaufs (11) eines Verbrennungsmotors (10) des Kraftfahrzeugs freigegeben wird, wenn eine Temperatur (TInv) des Stromrichters (25) einen oberen Temperaturschwellwert erreicht oder überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kühlung des Stromrichters (25) mittels des Flüssigkühlmittels des Kühlkreislaufs (11) des Verbrennungsmotors (10) des Kraftfahrzeugs gesperrt wird, wenn die Temperatur (TInv) des Stromrichters (25) einen unteren Temperaturschwellwert erreicht oder unterschreitet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der untere Temperaturschwellwert kleiner als der obere Temperaturschwellwert ist.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der obere Temperaturschwellwert eine Temperatur des Flüssigkühlmittels des Kühlkreislaufs (11) des Verbrennungsmotors (10) ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der obere Temperaturschwellwert eine Endtemperatur des Flüssigkühlmittels des Kühlkreislaufs (11) des Verbrennungsmotors (10) ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der obere Temperaturschwellwert eine momentane Temperatur (TKM) des Flüssigkühlmittels des Kühlkreislaufs (11) des Verbrennungsmotors (10) ist.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stromrichtertemperatur (TInv) in einem elektronischen Teil (30) oder in einem Kühlkörper (35) des Stromrichters (25) erfasst wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stromrichter (25) eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs gekühlt wird.
  9. Stromrichterkühlvorrichtung (100), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  10. Stromrichterkühlvorrichtung (100) nach Anspruch 9, die ein schaltbares Absperrventil (45, 45') und/oder eine ansteuerbare Pumpe (40) zum Freigeben des Flüssigkühlmittels des Kühlkreislaufs (11) des Verbrennungsmotors (10) für den Stromrichter (25) aufweist.
  11. Stromrichterkühlvorrichtung (100) nach Anspruch 9 oder 10, die einen Kühlkörper (35) mit Kühlmittelleitungen aufweist, die das Flüssigkühlmittel führen.
  12. Stromrichterkühlvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, die eine Recheneinheit (50) aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.
  13. Stromrichterkühlvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, die in den Stromrichter (25) baulich integriert ist.
  14. Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus einem Verbrennungsmotor (10) und einer elektrischen Maschine (20), die von einem Stromrichter (25) gesteuert wird, und mit einer Stromrichterkühlvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13.
  15. Kraftfahrzeug nach Anspruch 14 zumindest in Rückbezug auf Anspruch 11, wobei der Kühlkörper (35) in einem Luftstrom angeordnet, der von einem Lüfter (21) der elektrischen Maschine (20) oder von einem Lüfter eines Wärmetauschers (14) des Kühlkreislaufs (11) des Verbrennungsmotors (10) des Kraftfahrzeugs erzeugt wird.
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