DE102017217582A1

DE102017217582A1 - Anordnung, Verfahren und Verwendung zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit sowie Flugzeug mit einer derartigen Anordnung

Info

Publication number: DE102017217582A1
Application number: DE102017217582.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gleixner; Peter Gröppel; William Hunter; Thomas Kübel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2019-04-04

Abstract

Die Erfindung gibt eine Anordnung zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit (1) an, die mindestens eine ein Kühlmittel aufweisende Kühlkreislaufeinheit (13) aufweist, wobei das Kühlmittel deionisiertes Wasser (6) ist. Ein Flugzeug mit einer derartigen Anordnung sowie ein zugehöriges Verfahren und eine Verwendung von deionsiertem Wasser (6) werden ebenfalls angegeben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit mit mindestens einer ein Kühlmittel aufweisenden Kühlkreislaufeinheit. Die Erfindung betrifft auch ein Flugzeug und ein Verfahren mit einer derartigen Anordnung. Außerdem betrifft die Erfindung auch eine Verwendung eines Kühlmittels.
Hintergrund der Erfindung
In der Offenlegungsschrift DE 10 2015 214 A1 wird eine Elektroantriebseinheit für ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor, der ein Motorkühlsystem aufweist, und ein Stromrichter, der ein Stromrichterkühlsystem aufweist, beschrieben. Der Stromrichter umfasst eine elektronische Leistungsschalterkomponente, die mit dem Elektromotor elektrisch verbunden ist. Das Stromrichterkühlsystem umfasst eine Montage-Kühleinheit. Die elektronische Leistungsschalterkomponente ist mittels der Montage-Kühleinheit mit einem Gehäuse des Elektromotors verbunden. Die Montage-Kühleinheit weist mindestens ein Kühlfeld für die Leistungsschalterkomponente auf. Das Kühlfeld ist mit einem in der Montage-Kühleinheit angeordneten Kühlkanal derart ausgebildet, in der Leistungsschalterkomponente erzeugte Verlustwärme mittels eines hindurchfließenden Kühlmittels abzuführen.
In 1 ist ein Blockschaltbild eines derartigen Kühlsystems für eine Elektroantriebseinheit 1 schematisch dargestellt. Zu sehen sind zwei Kühlkreislaufeinheiten 13 mit je einer Pumpeneinheit 7 und einer Kühleinheit 8. Die Kühlleitungen 9 transportieren ein Kühlmittel zu der Elektroantriebseinheit 1. Die eine Kühlreislaufeinheit 13 ist für die Kühlung des Umrichters 2, die andre Kühlkreislaufeinheit 13 ist für die Kühlung des Elektromotors 3 verantwortlich.
Der Umrichter 2 ist eingangsseitig über zwei Gleichstromleitungen 4 mit einer Energieverteileinheit 10, die beispielsweise Batterien aufweist, elektrisch verbunden. Der Umrichter 2 ist ausgangsseitig mit dem Elektromotor 3 über drei Wechselstromleitungen 5 elektrisch verbunden. Erdungsleitungen sind der Übersichtlichkeit wegen in dem Blockschaltbild nicht dargestellt. Der Umrichter 2, der Elektromotor 3 und die elektrischen Leitungen 4 und 5 sind Teil der Elektroantriebseinheit 1.
Bei dem Einsatz von derartigen oder ähnlichen Elektroantriebseinheiten bei Flugzeugen gilt es in aller Regel das Leistungsgewicht zu erhöhen. Aufgrund der hohen Leistungsdichten bei derartigen Antrieben ist die oben erwähnte Kühlung von Verlustwärme erzeugenden Komponenten eine wichtige und zentrale Aufgabe.
Um eine ausreichende Kühlung des Elektromotors und des Inverters zu gewährleisten, wird bekanntermaßen die Kühlung mit einem Isolieröl eingesetzt. Dieses erfüllt die notwendigen isolierenden Eigenschaften. Allerdings sind die Wärmekapazität und die Viskosität eines Isolieröls nicht optimal. Ein zusätzlicher Nachteil organisch basierter flüssiger Kühlmedien ist deren thermisch begrenzte Einsetzbarkeit. So kann es bei (lokalen) Überhitzungen zum Polymerabbau kommen, der sich nachteilig auf die Kühl- und Isoliereigenschaften des Isolieröls auswirkt. Außerdem können unerwünschte Nebenprodukten entstehen, wie z.B. Formaldehyd in speziellen Silikonen oder Flusssäure bei der Verwendung fluorierter Polymere.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, bei der die Kühlung von elektrischen Antrieben verbessert wird und vorgenannte Nachteile vermieden werden.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Anordnung, dem Flugzeug, dem Verfahren und der Verwendung der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird deionisiertes Wasser als Kühlmittel zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit in beispielsweise einem Flugzeug eingesetzt. Deionisiertes Wasser, auch als demineralisiertes Wasser, vollentsalztes Wasser oder Deionat bezeichnet, ist Wasser (H₂O) ohne die im normalen Quell- und Leitungswasser vorkommenden Salze, die als Anionen und Kationen gelöst sind, und für eine gewisse Leitfähigkeit des Wassers verantwortlich sind.
Zur Aufrechterhaltung der Ionenfreiheit ist gegebenenfalls ein Ionentauscher vorzusehen. Entsprechend der herstellbaren Reinheit des Wassers, den auftretenden Spannungen und den vorherrschenden Abständen zwischen elektrischen Komponenten, kann auch eine direkte Kühlung der wärmeerzeugenden Bauteile hergestellt werden. Insbesondere die polymerbasierte Kapselung aller metallischen und spannungsführenden Komponenten wirkt sich für die nachhaltige Verwendung von deionisiertem Wasser als Isolier-/Kühlmittel positiv aus.
Wasser hat nahezu die doppelte Wärmekapazität wie Öl sowie eine kleinere Viskosität als Öl. Dadurch ist die Kühlleistung größer und die Anforderungen an ein Kühlsystem sinken (Pumpen, Druckverluste, Leitungen). Dieser Vorteil kann zur Gewichtsreduzierung bzw. Erhöhung der Leistungsdichte verwendet werden. Durch den Entzug der Ionen aus dem Wasser wird seine isolierende Wirkung erreicht.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ermöglicht die Verwendung von deionisiertem Wasser den Einsatz bei einem hohen elektrischen Feldgradienten, wie er bei bekannten Anwendungen des Stands der Technik aktuell nicht möglich ist.
Die Erfindung löst die Aufgabe und verbessert die Kühlung, indem über die hohe Wärmekapazität und die geringe Viskosität des deionisierten Wassers viel Abwärme transportiert werden kann. Da andererseits auch deionisieres Wasser elektrisch isolierend ist, können zusätzliche Isolationsmaterialien vermieden werden, die notwendig wären, um Überschläge innerhalb des Elektromotors oder des Umrichters durch das Kühlmittel zu verhindern.
Die Erfindung beansprucht eine Anordnung zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit, aufweisend mindestens eine Kühlkreislaufeinheit mit einem Kühlmittel, wobei das Kühlmittel deionisiertes Wasser ist.
In einer Weiterbildung kann die Anordnung eine Ionentauscheinheit aufweisen, die das Kühlmittel bei Bedarf deionisiert. Dadurch kann bei zu geringer Deionisation des Wassers die Demineralisierung während des Betriebs erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Elektroantriebseinheit einen Umrichter und einen Elektromotor aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Kühlkreislaufeinheit mindestens eine Pumpeneinheit und mindestens eine Kühleinheit aufweisen.
Die Erfindung beansprucht auch ein Flugzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die Elektroantriebseinheit durch das deionisierte Wasser entwärmt (= gekühlt) wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens kann während eines Kühlbetriebs das deionisierte Wasser, falls es sich im Betrieb ionisiert, wieder deionisiert werden.
Außerdem beansprucht die Erfindung eine Verwendung von deionisiertem Wasser zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit eines Flugzeugs.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:

1: ein Blockschaltbild eines Kühlsystems einer Anordnung mit einem Umrichter und einem Elektromotor gemäß Stand der Technik,
2: ein Blockschaltbild eines Kühlsystems einer Anordnung mit einem Umrichter, einem Elektromotor und einer Ionentauscheinheit und
3: ein Blockschaltbild eines Flugzeugs mit einer Anordnung zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit.

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
2 zeigt ein Blockschaltbild eines Kühlsystems für eine Elektroantriebseinheit 1 in einer schematischen Darstellung. Die Anordnung weist zwei Kühlkreislaufeinheiten 13 mit je einer Pumpeneinheit 7, einer Kühleinheit 8 und Kühlleitungen 9 auf. Die eine Kühlreislaufeinheit 13 ist für die Kühlung des Umrichters 2, die andere Kühlkreislaufeinheit 13 ist für die Kühlung des Elektromotors 3 verantwortlich.
Der Umrichter 2 ist eingangsseitig über zwei Gleichstromleitungen 4 mit einer Energieverteileinheit 10, die beispielsweise Batterien aufweist, elektrisch verbunden. Der Umrichter 2 ist ausgangsseitig mit dem Elektromotor 3 über drei Wechselstromleitungen 5 elektrisch verbunden. Erdungsleitungen sind der Übersichtlichkeit wegen in dem Blockschaltbild nicht dargestellt. Der Umrichter 2, der Elektromotor 3 und die elektrischen Leitungen 4 und 5 sind Teil der Elektroantriebseinheit 1.
In den beiden Kühlkreislaufeinheiten 13 befindet sich als Kühlmittel deionisiertes Wasser 6. Zur Aufrechterhaltung der Deionisierung befindet sich eine Ionentauscheinheit 11 in der Kühlkreislaufeinheit 13, mit deren Hilfe das sich im Betrieb ionisierende deionisierte Wasser 6 kontinuierlich demineralisiert werden kann.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung gemäß 2, wobei die Anordnung durch eine Elektroantriebseinheit 1 und einen Kühlkreislauf 13 stilsiert dargestellt ist. Die Anordnung befindet sich in einem Flugzeug 12. Die Kühlung erfolgt mit deionisiertem Wasser 6 in den Kühlleitungen 9 der Kühlkreislaufeinheit 13. Vorteilhaft wird für alle zu kühlenden Komponenten im Flugzeug 12 ein einziger Kühlkreislauf mit deionisiertem Wasser verwendet.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Elektroantriebseinheit
2: Umrichter
3: Elektromotor
4: Gleichstromleitung
5: Wechselstromleitung
6: deionisiertes Wasser
7: Pumpeneinheit
8: Kühleinheit
9: Kühlleitung
10: Energieverteileinheit
11: Ionentauscheinheit
12: Flugzeug
13: Kühlkreislaufeinheit

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 102015214 A1 [0002]

Claims

Anordnung zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit (1), aufweisend mindestens eine ein Kühlmittel aufweisende Kühlkreislaufeinheit (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel deionisiertes Wasser (6) ist.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: - eine Ionentauscheinheit (11), die ausgebildet ist, das Kühlmittel zu deionisieren.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroantriebseinheit (1) einen Umrichter (2) und einen Elektromotor (4) aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlkreislaufeinheit (13) mindestens eine Pumpeneinheit (7) und mindestens eine Kühleinheit (8) aufweist.
Flugzeug (12) mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Flugzeug (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Kühlkreislaufeinheit (13) ausgebildet ist, die alle zu kühlenden Komponenten des Flugzeugs (12) versorgt.
Verfahren zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit (1) mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroantriebseinheit (1) durch das deionisierte Wasser (6) entwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Kühlbetriebs das deionisierte Wasser (6) im Falle einer Ionisation deionisiert wird.
Verwendung von deionisiertem Wasser (6) zur Kühlung einer Elektroantriebseinheit (1) eines Flugzeugs (12).