DE102015225644A1

DE102015225644A1 - Thermomanagementsystem für ein elektrisches Antriebssystem, vorzugsweise für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015225644A1
Application number: DE102015225644.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Faber; Jochen Reith; Matthias Gramann; Nicolai Gramann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22
Also published as: US20200276899A1; JP2019502347A; WO2017101935A1; CN108367669A; US11186164B2; DE112016005791A5; JP6882300B2; KR20180095572A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem für ein elektrisches Antriebssystem, vorzugsweise für ein Fahrzeug, bei welchem der elektrische Antrieb einen Elektromotor (14) und eine Leistungselektronik (7) umfasst, wobei der Elektromotor (15) und die Leistungselektronik (7) in einem Kühlkreislauf eingebunden sind und von einem im Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittel gekühlt werden, wobei das Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe (1) umgewälzt wird. Bei einem variablen Thermomanagementsystem stehen der Elektromotor (15) und die Leistungselektronik (7) mit je einer Kühleinheit (3, 4) in räumlichen Kontakt, wobei die Kühleinheiten (3, 4) des Elektromotors (15) und der Leistungselektronik (7) parallel zueinander angeordnet sind und zwischen der Kühlmittelpumpe (1) und den Kühleinheiten (3, 4) ein elektrisch gesteuerter Kühlmittelverteiler (2) positioniert ist, der zwei Ausgänge (B1, B2) aufweist, wobei jeweils ein Ausgang (B1) an die Kühleinheit (3) des Elektromotors (15) bzw. an die Kühleinheit (4) der Leistungselektronik (7) führt und die Ausgänge (C1, C2) der Kühleinheiten (3, 4) zu einem Kanal (5) zusammengefasst auf die Kühlmittelpumpe (1) zurückgeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem für ein elektrisches Antriebssystem, vorzugsweise für ein Fahrzeug, bei welchem der elektrische Antrieb einen Elektromotor und eine Leistungselektronik umfasst, wobei der Elektromotor und die Leistungselektronik in einem Kühlkreislauf eingebunden sind und von einem im Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittel gekühlt werden, wobei das Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe umgewälzt wird.
Aus der DE 10 2004 006 730 A1 bzw. der DE 10 2011 085 750 A1 sind Verfahren zum Erkennen einer Schädigung einer Kupplung bekannt, bei welchen insbesondere die Temperaturentwicklung in der Kupplung betrachtet wird, um bei Temperaturüberschreitungen Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Das die Kupplung umfassende Aktuatorsystem, welches einen Elektromotor und eine, den Elektromotor ansteuernde Leistungselektronik enthält, weist einen Kühlmittelkreislauf auf, welcher insbesondere die Leistungselektronik kühlt. Dabei ist der Kühlmittelkreislauf in einem Kühldeckel der Leistungsendstufe integriert, wobei der Kühlmittelkreislauf so aufgebaut ist, dass dieser unabhängig voneinander mehrere Leistungsendstufen der Leistungselektronik kühlt. Dies erfolgt durch die Einteilung in mehrere parallele Pfade des Kühlkreislaufes.
Das vorgeschlagene Kühlsystem ist dabei fest im Kühldeckel verbaut, so dass eine Kühlung der Leistungsmodule oder anderer Bestandteile des Aktuatorsystems nicht verändert und variiert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Thermomanagementsystem für ein elektrisches Antriebssystem anzugeben, bei welchem das Kühlmittel eine variable Kühlung einzelner Bestandteile erlaubt.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Elektromotor und die Leistungselektronik mit je einer Kühleinheit in räumlichen Kontakt stehen, wobei die Kühleinheiten des Elektromotors und der Leistungselektronik parallel zueinander angeordnet sind und zwischen der Kühlmittelpumpe und den Kühleinheiten ein elektrisch gesteuerter Kühlmittelverteiler positioniert ist, der zwei Ausgänge aufweist, wobei jeweils ein Ausgang an die Kühleinheit des Elektromotors bzw. an die Kühleinheit der Leistungselektronik führt und die Ausgänge der Kühleinheiten in einem Kanal zusammengefasst auf die Kühlmittelpumpe zurückgeführt sind. Dies hat den Vorteil, dass durch die, in parallele Zweige aufgespaltene Kühlmittelführung eine Dauerleistung des elektrischen Antriebssystems durch die selektive Kühlung von Leistungselektronik und Elektromotor erhöht wird. Durch die thermische Betriebspunktanpassung der Komponenten Leistungselektronik und Elektromotor wird ein besserer Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Antriebssystems in Teillastpunkten erreicht. Darüber hinaus ist eine erhöhte Kurzzeitleistung des elektrischen Antriebssystems durch eine thermische Vorkonditionierung der Komponenten Leistungselektronik und Elektromotor möglich, um eine höhere Temperaturdifferenz zu schaffen. Durch die bedarfsgerechte Kühlung der Leistungselektronik und des Elektromotors wird die Lebensdauer der Komponenten erhöht. Dieses Thermomanagementsystem bietet auch bei der Integration des so ausgerüsteten elektrischen Antriebssystems Vorteile, da es vorzugsweise nur einen Kühlmitteleingang und einen Kühlmittelausgang von und zur Kühlmittelpumpe besitzt. Dies verringert den Integrationsaufwand beim Fahrzeughersteller. Durch die Nutzung der Verlustwärme im Innenraum des Fahrzeuges ist eine Fahrzeuginnenraumkonditionierung möglich, was zu Komfortvorteilen im Fahrzeug führt.
Vorteilhafterweise ist den Ausgängen im Kühlmittelverteiler ein elektrisch betätigbares Ventil zur Steuerung eines Volumenstromes des Kühlmittels zur Kühleinheit des Elektromotors und/oder zur Kühleinheit der Leistungselektronik vorgeschaltet. Mittels eines solchen elektrisch betätigbaren Ventils ist es möglich, den Volumenstrom bedarfsgerecht zwischen Leistungselektronik und Elektromotorkühlung zu regeln.
In einer Ausgestaltung ist das elektrisch betätigbare Ventil als stufenlose regelbare mechanische Blende ausgebildet. Da diese mechanische Blende kontinuierlich einstellbar ist, lässt sich der Volumenstrom beliebig an jedem Ausgang variieren.
In einer Ausführungsform liegt ein Regelbereich des Ventils zwischen 0 bis 100% des Volumenstroms des Kühlmittels pro Ausgang. Damit kann sichergestellt werden, dass der gesamte Volumenstrom durch nur je einen Ausgang zur Kühleinheit des Elektromotors oder der Kühleinheit der Leistungselektronik fließt und der andere Ausgang vom Kühlmittel frei ist.
In einer Weiterbildung ist eine Regelstrategie des Volumenstromes in einer Recheneinheit der Leistungselektronik als Software abgelegt, wobei eine elektrische Endstufe zur Regelung des Ventils des Kühlmittelverteilers in der Leistungselektronik angeordnet ist. Damit wird die in der Leistungselektronik an sich vorhandene Rechentechnik genutzt, um das Ventil anzusteuern. Dies stellt eine sehr kostengünstige Lösung dar, da auf weitere Elektronikeinheiten verzichtet werden kann.
In einer Variante ist an einem Ausgang der Kühlmitteleinheit der Leistungselektronik oder an einem Ausgang der Kühleinheit des Elektromotors ein Umschaltventil positioniert, welches einerseits mit einer Kühlmittelpumpe verbunden ist und andererseits auf einen Eingang der Kühleinheit des Elektromotors oder dem Eingang der Kühleinheit der Leistungselektronik geführt ist. Dadurch ist es sehr einfach möglich, bei Bedarf aus der Parallelschaltung der Kühlelemente von Leitungselektronik und Elektromotor eine Serienschaltung zu realisieren.
Vorteilhafterweise ist das Umschaltventil elektromechanisch ansteuerbar. Die Ansteuerung des Umschaltventils erfolgt auch in diesem Fall über die Leistungselektronik, was eine besonders kostengünstige Realisierung darstellt.
In einer Ausgestaltung ist in den zusammengeführten Ausgängen der Kühleinheiten der Leistungselektronik und des Elektromotors ein Mehrwegeventil angeordnet, welches einen Kühlmittelbypass zu einer weiteren Kühleinheit eines Fahrzeugaggregates freigibt oder schließt. Das vorgeschlagene Thermomanagementsystem ist somit problemlos erweiterbar, so dass andere Komponenten des Fahrzeuges, wie beispielsweise eine Hochvoltbatterie, mit eingebunden werden, was dazu führt, dass diese schneller auf eine optimale Betriebstemperatur gebracht werden.
In einer Ausführungsform ist die Kühlmittelpumpe druckgeregelt. Dies ist notwendig, um Druckverluste bei unterschiedlichen Systemzuständen des Thermomanagementsystems auszugleichen. Solche unterschiedlichen Druckverluste entstehen bei der Umschaltung von serieller in parallele Betriebsweise des Kühlkreislaufes bzw. anders herum. Zur Reduzierung der Gesamtsystemverluste kann die Pumpleistung der Kühlmittelpumpe bei unterschiedlichen Systemzuständen reduziert werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Hybridmodul mit einer Leistungselektronik und einem Elektromotor, in welches ein Thermomanagementsystem integriert ist. Bei einem Hybridmodul ist das Thermomanagementsystem nach mindestens einem der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Merkmale ausgebildet.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems,
4 ein Drehmoment/Drehzahldiagramm des elektrischen Antriebssystems,
5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybridmoduls.
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems dargestellt, wie es bei elektrischen Antriebsystemen bzw. elektrischen Aktuatoren verwendet wird. 1 zeigt einen Kühlmittelkreislauf mit einer regelbaren Kühlmittelpumpe 1, welche auf einen als Volumenstromteiler 2 ausgeführten Kühlmittelverteiler führt. Der Volumenstromteiler 2 weist einen Eingang A und zwei Ausgänge B1 und B2 auf. Der Ausgang B1 führt auf eine Kühleinheit 3 eines Elektromotors, während der Ausgang B2 auf eine Kühleinheit 4 einer Leistungselektronik führt. Die Ausgänge C1, C2 der Kühleinheiten 3, 4 des Elektromotors bzw. der Leistungselektronik werden zusammengeführt, so dass nur ein Kanal 5 über einen Fahrzeugkühler 16 auf die Kühlmittelpumpe 1 zurückgeführt wird. Die Kühleinheiten 3, 4 nehmen die von der Leistungselektronik bzw. dem Elektromotor abgegebene Wäre Auf, während der Fahrzeugkühler 16 Verlustwärme an die Umgebung abgibt.
Innerhalb des Volumenstromteilers 2 ist ein Mehrwegeventil 6 angeordnet, welche den Volumenstrom des Kühlmittels bedarfsgerecht zwischen der Kühleinheit 4 der Leistungselektronik und der Kühleinheit 3 des Elektromotors regelt. Das Mehrwegeventil 6 ist dabei als elektromechanisches Ventil ausgebildet, das stufenlos regelbar ist. Der Volumenstrom wird im Mehrwegeventil 6 mittels mechanischer Blenden eingestellt, wobei der Regelbereich von 0 bis 100% Volumenstrom pro Ausgang B1, B2 des Volumenstromverteilers 2 reicht. Dies ermöglicht ein Sperren eines Ausganges B1, B2, so dass der gesamte Volumenstrom des Kühlmittels über nur einen der Ausgänge B1, B2 geleitet wird und so nur die Leistungselektronik oder nur der Elektromotor gekühlt werden kann.
Die elektrische Ansteuerung des Volumenstromteilers 2 erfolgt dabei über die Leistungselektronik 7, bei welcher in der Software einer Recheneinheit 8 die Regelstrategie für das Thermomanagementsystem abgelegt ist. Lediglich eine elektrische Endstufe 9 ist in der Leistungselektronik 7 zusätzlich notwendig, um das Mehrwegeventil 2 zu steuern (5). Die Regelung des Volumenstromes erfolgt dabei in Abhängigkeit von einem aktuellen Lastpunkt des elektrischen Antriebsstranges. Dabei werden gewisse Prädiktionsalgorithmen, also ein zukünftiges Verhalten des Thermomanagementsystems, und Einstellparameter, wie beispielsweise ein Betriebsmodus eines Fahrzeuges Normal, Eco oder Sport berücksichtigt.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems dargestellt, bei welchem zusätzlich zu der in 1 dargestellten Variante ein Umschaltventil 10 in dem Kühlkreislauf angeordnet ist. Das Umschaltventil 10 ist an dem Ausgang C2 der Kühleinheit 4 der Leistungselektronik geschaltet und als ein 3:2-Ventil ausgestaltet, wobei drei Anschlüsse vorhanden sind und zwei Schaltzustände realisiert werden können. Die Schaltzustände werden ebenfalls auf elektromechanischer Basis realisiert. Der Ausgang T des Umschaltventiles 10 führt dabei auf einen Eingang D1 der Kühleinheit 3 des Elektromotors. Der Ausgang P des Umschaltventils 10 ist wiederum mit dem Ausgang C1 der Kühleinheit 3 des Elektromotors zum Kanal 5 verbunden und auf die Kühlmittelpumpe 1 zurückgeführt. Aufgrund dieser Ausgestaltung lässt sich aus der Parallelschaltung der Kühleinheiten 3, 4 eine serielle Schaltung erstellen.
Es ist aber auch vorstellbar, dass das zusätzliche Umschaltventil 10 alternativ am Ausgang C1 der Kühleinheit 3 des Elektromotors angeordnet ist, wobei der Anschluss T auf den Eingang D2 der Kühleinheit 4 der Leistungselektronik geführt wird.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystem, mit welchem eine thermische Konditionierung weiterer Fahrzeugaggregate möglich ist. An dem zusammengeführten Kanal 5 der Ausgänge P, C1 des Umschaltventils 10 und der Kühleinheit 3 des Elektromotors, ist ein weiteres Umschaltventil 11 angeordnet, das mit seinem Ausgang T an eine Kühleinheit 12 für ein Fahrzeugaggregat, beispielsweise eine Hochvoltbatterie, führt, wobei der Ausgang G der Kühleinheit 12 des Fahrzeugaggregates mit dem Ausgang P des Umschaltventiles 11 zusammengeführt ist und wiederum auf die Kühlmittelpumpe 1 führt.
In einer Alternative kann das Thermomanagementsystem mit einer Wärmeaustauscheinheit zur Heizung des Innenraumes des Fahrzeuges erweitert werden.
In 4 ist ein prinzipieller Verlauf von Drehmoment und Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit in einem Diagramm dargestellt, welche mit dem beschriebenen Thermomanagementsystem betrieben wird. Aus dem Diagramm geht hervor, wie der zur Verfügung stehende Gesamtvolumenstrom des Kühlmittels variabel aufgeteilt werden kann, so dass es für das Gesamtsystem optimal ist. Im Bereich I tritt eine große thermische Belastung für den Umrichter in der Leistungselektronik auf, so dass in diesem Bereich, also bei kleinen Drehzahlen der elektrischen Antriebseinheit, eine starke Kühlung der Leistungselektronik sinnvoll ist. Bei höheren Drehzahlen der elektrischen Antriebseinheit, wo das Drehmoment abnimmt, ist eine große thermische Belastung des Elektromotors gegeben, so dass an dieser Stelle eine starke Kühlung des Elektromotors notwendig wird (Bereich II). Zur Einstellung eines solchen Thermomanagementsystems ist auch eine dynamische Umschaltung zwischen der beschriebenen Parallel- und Serienschaltung zwischen Kühlelementen 3, 4 der Leistungselektronik und des Elektromotors des Antriebsystems möglich. Die Verteilung des Gesamtvolumenstroms des Kühlmittels hängt somit vom jeweiligen Betriebspunkt des Antriebssystems, wie Drehmoment und der Drehzahl ab, wodurch sich Rückschlüsse auf die Leistung des Antriebssystems ziehen lassen.
In 5 ist ein Hybridmodul 13 dargestellt, bei welchem die Leistungselektronik 7 in einem Gehäuse 14 angeordnet ist, wobei auf diesem Gehäuse 14 der Elektromotor 15 positioniert ist. Das Thermomanagementsystem ist nur durch den Volumenstromteiler 2 und das Umschaltventil 10 dargestellt. Bei einem solchen Hybridmodul 13 sind die Kühlkreisläufe der Leistungselektronik 7 und des Elektromotors 15 räumlich sehr nahe. Eine direkte Verschaltung der Kühlkreisläufe im Hybridmodul 13 erspart eine aufwändige externe Verbindung z.B. mit Schläuchen.
Die vorgeschlagene Lösung ist für alle elektrischen Antriebssysteme und Aktuatoren vorgesehen, welche eine Leistungselektronik und einem Elektromotor umfassen.
Bezugszeichenliste

1: Kühlmittelpumpe
2: Volumenstromteiler
3: Kühleinheit
4: Kühleinheit
5: Kanal
6: Mehrwegeventil
7: Leistungselektronik
8: Recheneinheit
9: Endstufe
10: Umschaltventil
11: Umschaltventil
12: Kühleinheit
13: Hybridmodul
14: Gehäuse
15: Elektromotor

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

DE 102004006730 A1 [0002]
DE 102011085750 A1 [0002]

Claims

Thermomanagementsystem für ein elektrisches Antriebssystem, vorzugsweise für ein Fahrzeug, bei welchem der elektrische Antrieb einen Elektromotor (14) und eine Leistungselektronik (7) umfasst, wobei der Elektromotor (15) und die Leistungselektronik (7) in einem Kühlkreislauf eingebunden sind und von einem im Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittel gekühlt werden, wobei das Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe (1) umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (15) und die Leistungselektronik (7) mit je einer Kühleinheit (3, 4) in räumlichen Kontakt stehen, wobei die Kühleinheiten (3, 4) des Elektromotors (15) und der Leistungselektronik (7) parallel zueinander angeordnet sind und zwischen der Kühlmittelpumpe (1) und den Kühleinheiten (3, 4) ein elektrisch gesteuerter Kühlmittelverteiler (2) positioniert ist, der zwei Ausgänge (B1, B2) aufweist, wobei jeweils ein Ausgang (B1) an die Kühleinheit (3) des Elektromotors (15) bzw. an die Kühleinheit (4) der Leistungselektronik (7) führt, und die Ausgänge (C1, C2) der Kühleinheiten (3, 4) zu einem Kanal (5) zusammengefasst auf die Kühlmittelpumpe (1) zurückgeführt sind.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (B1, B2) im Kühlmittelverteiler (2) ein elektrisch betätigbares Ventil (6) zur Steuerung eines Volumenstromes des Kühlmittels zur Kühleinheit (3) des Elektromotors (15) und/oder zur Kühleinheit (4) der Leistungselektronik (7) vorgeschaltet ist.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch betätigbare Ventil (6) als stufenlos regelbare mechanische Blende ausgebildet ist.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelbereich des Ventils (6) zwischen 0 und 100% des Volumenstromes des Kühlmittels pro Ausgang (B1, B2) liegt.
Thermomanagementsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelstrategie des Volumenstromes in einer Recheneinheit (8) der Leistungselektronik (7) als Software abgelegt ist, wobei eine elektrische Endstufe (9) zur Regelung des Ventils (6) des Kühlmittelverteilers (2) in der Leistungselektronik (7) angeordnet ist.
Thermomanagementsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ausgang (C2) der Kühleinheit (4) der Leistungselektronik (7) oder an einem Ausgang (C1) der Kühleinheit (3) des Elektromotors (15) ein Umschaltventil (10) positioniert ist, welches einerseits mit der Kühlmittelpumpe (1) verbunden ist und andererseits auf einen Eingang (D1) der Kühleinheit (3) des Elektromotors oder den Eingang (D2) der Kühleinheit (4) der Leistungselektronik (7) geführt ist.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (10) elektromechanisch ansteuerbar ist.
Thermomanagementsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den zusammengeführten Ausgängen (C1, C2) der Kühleinheiten (3, 4) der Leistungselektronik (7) und des Elektromotors (15) ein Mehrwegeventil (11) angeordnet ist, welches einen Kühlmittelbypass zu einer weiteren Kühleinheit (12) eines Fahrzeugaggregates freigibt oder schließt.
Thermomanagementsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe (1) druckgeregelt ist.
Hybridmodul, umfassend eine Leistungselektronik und einen Elektromotor, in welches ein Thermomanagementsystem integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermomanagementsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.