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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug, umfassend eine erste Einrichtung, die eine elektrische Maschine und einen Leistungsteil umfasst, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Leistungsteils. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Antriebstrangs.
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Elektrische Maschinen, beispielsweise Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen, sind allgemein bekannt und werden in Fahrzeugen, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeugen, als Teil des Antriebsstrangs verwendet. Derartige elektrische Maschinen werden typischerweise über eine Leistungselektronik angesteuert, die beispielsweise einen Pulswechselrichter oder Inverter umfassen kann. Die Leistungselektronik konvertiert die Gleichspannung der Batterie in eine mehrphasige Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine und übernimmt damit einhergehend die Regelung der elektrischen Maschine.
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Aus der
DE 10 120 414 A1 ist beispielsweise eine elektrische Maschine mit einer ersten Maschinenkomponente und einer zweiten Maschinenkomponente sowie einer Leistungselektronik zum Steuern der elektrischen Maschine bekannt.
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Durch die umfassenden Anwendungsmöglichkeiten von elektrischen Maschinen, insbesondere in der Fahrzeugtechnik, besteht ein Bedarf, die Steuerung und den Aufbau solcher Maschinen effizient zu gestalten und kontinuierlich zu verbessern.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, einen effizienten und vorteilhaften Antriebsstrang umfassend eine elektrische Maschine bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine erste Einrichtung, die eine elektrische Maschine und einen Leistungsteil umfasst, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Leistungsteils, wobei die Steuereinrichtung als von der ersten Einrichtung separat ausgebildete zweite Einrichtung ausgebildet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang ist es vorteilhafterweise möglich, dass der Leistungsteil gemeinsam mit der elektrischen Maschine als erste Einrichtung bzw. erstes Bauteil ausgebildet ist, während die Steuereinrichtung als von diesem ersten Bauteil separat ausgebildetes und angeordnetes zweites Bauteil ausgebildet ist. Hierdurch kann die verwendete Leistungselektronik vorteilhaft aufgeteilt werden, wobei der Leistungsteil mit der elektrischen Maschine kombiniert wird und/oder in die elektrische Maschine integriert wird. Es ist erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise möglich, dass die Kabel oder Stromschienen zwischen dem Leistungsteil und der elektrischen Maschine entfallen oder zumindest sehr kurz sind, wodurch das Verhalten hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) verbessert werden kann. Zudem kann sich der Wirkungsgrad erhöhen, wobei das Gewicht und die Kosten reduziert werden können. Die Steuereinrichtung ist nicht in die elektrische Maschine integriert, sondern separat als eigenständige Einrichtung vorgesehen, wodurch ein modularer Aufbau ermöglicht wird. Insbesondere ist es denkbar, dass die Steuereinrichtung (modular) entfernbar bzw. austauschbar ist, ohne dass dabei die erste Einrichtung geändert werden muss.
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Erfindungsgemäß ist es ferner vorteilhafterweise möglich, dass die Steuereinrichtung als thermisch kritisches Bauteil von den Hauptwärmequellen, insbesondere dem Leistungsteil und der elektrischen Maschine, separiert ist, wodurch eine passive Kühlung, beispielsweise mithilfe von Kühlrippen, am Gehäuse der Steuereinrichtung ausreichen kann. Zudem kann die Steuereinrichtung erfindungsgemäß prinzipiell als Gleichteil gefertigt werden, unabhängig von der elektrischen Maschine und/oder dem Leistungsteil bzw. der Antriebseinheit. Die Anforderungen an die Steuereinrichtung skalieren typischerweise nicht mit der Leistung der Antriebseinheit. Es ist somit denkbar, dass die Steuereinrichtung universell für den Betrieb und die Regelung funktional vergleichbarer erster Einrichtungen, insbesondere vergleichbarer Antriebseinheiten, eingesetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Steuereinrichtung eine Logikschaltung und/oder einen Controller, insbesondere einen Microcontroller, umfasst. Die Steuereinrichtung ist insbesondere zur Steuerung des Leistungsteils ausgebildet.
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Der Leistungsteil umfasst beispielsweise eine Kommutierungszelle, umfassend einen Halbleiter-Schalter, insbesondere einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, einen MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) oder einen GTO (Gate Turn-Off Thyristor), besonders bevorzugt einen Si-IGBT (Silizium-IGBT) oder einen SiC-MOSFET (Siliciumcarbid-MOSFET). Der Leistungsteil kann zusätzlich einen Zwischenkreiskondensator umfassen. Bevorzugt ist der Leistungsteil als Wechselrichter, insbesondere als Pulswechselrichter, ausgebildet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die erste Einrichtung ein Gehäuse der elektrischen Maschine umfasst, wobei der Leistungsteil innerhalb des Gehäuses und/oder an dem Gehäuse angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, den Leistungsteil in und/oder unmittelbar an dem Gehäuse der elektrischen Maschine auszubilden, insbesondere in direktem Kontakt zu dem Gehäuse, sodass der Leistungsteil und die elektrische Maschine ein gemeinsames Gehäuse aufweisen können. Es können somit Kosten reduziert werden und die Distanzen zwischen Leistungsteil und elektrischer Maschine geringgehalten werden. Die Steuereinrichtung ist hingegen nicht in und bevorzugt auch nicht unmittelbar an dem Gehäuse verbaut.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der Antriebsstrang eine Treiberschaltung (Gate-Treiber) umfasst, wobei die Treiberschaltung insbesondere zwischen die Steuereinrichtung und den Leistungsteil geschaltet ist, wobei die Treiberschaltung als Teil der ersten Einrichtung ausgebildet ist, bevorzugt innerhalb und/oder an dem Gehäuse der elektrischen Maschine. Entsprechend können die elektrische Maschine, die Treiberschaltung und der Leistungsteil als gemeinsame erste Einrichtung bzw. als gemeinsames erstes Bauteil ausgebildet sein. Hierdurch ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Steuereinrichtung als einzige Teilkomponente der Leistungselektronik separat von der elektrischen Maschine ausgebildet ist, während Gate-Treiber und Leistungsteil in die elektrische Maschine integriert bzw. gemeinsam mit der elektrischen Maschine verbaut sind. Die zweite Einrichtung, insbesondere die Steuereinrichtung, kann an die erste Einrichtung, insbesondere die Treiberschaltung, angeschlossen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung von der elektrischen Maschine, dem Gehäuse und/oder dem Leistungsteil beabstandet, bevorzugt in einem Abstand von mindestens 10 cm bis maximal 3m, ausgebildet ist. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Separation von Leistungsteil und Steuereinrichtung erzielt werden. Insbesondere sind somit vorteilhafterweise auch die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung voneinander beabstandet ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die zweite Einrichtung reversibel und/oder auswechselbar mit der ersten Einrichtung verbunden ist, insbesondere derart, dass die zweite Einrichtung durch eine weitere zweite Einrichtung ersetzbar ist. Die weitere zweite Einrichtung umfasst dabei insbesondere eine weitere Steuereinrichtung. Somit kann die Steuereinrichtung ausgetauscht werden, ohne dass gleichzeitig ein Austausch des Leistungsteils nötig ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die elektrische Maschine und der Leistungsteil mit einem gemeinsamen Kühlsystem oder einem gemeinsamen Kühlkreislauf ausgebildet sind. Der Kühlkreislauf bzw. das Kühlsystem der elektrischen Maschine und des Leistungsteils können somit vereint werden. Sowohl die elektrische Maschine als auch der Leistungsteil haben eine relativ hohe Verlustleistung und benötigen daher typischerweise eine Flüssigkeitskühlung. Insbesondere kommt ein wasserbasiertes Kühlmedium (z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch) oder ein dielektrisches Kühlmedium infrage.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der Leistungsteil einen oder mehrere Sensoren, insbesondere zur Erfassung eines oder mehrerer Ströme und/oder einer oder mehrerer Spannungen, umfasst. Die Sensoren können insbesondere zur Erfassung der Ströme der einzelnen Phasen der elektrischen Maschine ausgebildet sein. Die mithilfe der Sensoren ermittelten Daten können der Steuereinrichtung bereitgestellt werden, wobei die Steuereinrichtung mithilfe der Daten die elektrische Maschine regelt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mit einem vorstehend beschriebenen Antriebsstrang.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Leistungsteil mithilfe der Steuereinrichtung gesteuert wird.
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Bei dem Fahrzeug und bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Antriebsstrang beschrieben worden sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung die zur Regelung der elektrischen Maschine erforderlichen Wechselspannungen ermittelt, wobei die Wechselspannungen mithilfe eines Modulationsverfahrens in Schaltsignale überführt werden, wobei die Schaltsignale an die Treibereinrichtung geleitet werden, wobei mithilfe der Treibereinrichtung und der Schaltsignale der Leistungsteil gesteuert wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 einen Antriebsstrang gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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In 1 ist ein als Elektrofahrzeug ausgebildetes Fahrzeug 100 mit einem Antriebsstrang 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der Antriebsstrang 1 umfasst eine erste Einrichtung 10 und eine separat und bevorzugt beabstandet von der ersten Einrichtung 10 ausgebildete zweite Einrichtung 20. Die erste Einrichtung 10 weist eine elektrische Maschine 11 mit einem Gehäuse 14 auf. Ein Leistungsteil 12 einer Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine 11 ist gemeinsam mit der elektrischen Maschine 11 in der ersten Einrichtung 10 ausgebildet. Der Leistungsteil 12 beinhaltet beispielsweise eine Kommutierungszelle, aufweisend Halbleiter-Schalter und Zwischenkreiskondensatoren. Zudem sind Sensoren 16 für die Erfassung eines Stroms und/oder einer Spannung hier integriert. Ferner ist eine Treiberschaltung 13 als Teil der ersten Einrichtung 10 gemeinsam mit der elektrischen Maschine 11 und dem Leistungsteil 12 ausgebildet. Die Treiberschaltung 13 ist insbesondere für die Ansteuerung der Halbleiter-Schalter des Leistungsteils 12 erforderlich. Die Treiberschaltung 13 ist aus elektrischen Gründen (insbesondere zur Erzielung einer niederinduktiven Anbindung) möglichst nah am Leistungsteil 12 platziert. Der Leistungsteil 12 und die Treiberschaltung 13 sind dabei bevorzugt in das Gehäuse 14 der elektrischen Maschine 11 integriert bzw. in und/oder an diesem angeordnet. Die elektrischen Leitungen zwischen der elektrischen Maschine 11, dem Leistungsteil 12 und der Treiberschaltung 13 sind daher sehr kurz bzw. können gänzlich entfallen. Die elektrische Maschine 11 und der Leistungsteil 12 sind bevorzugt mit einem gemeinsamen Kühlsystem 15 oder einen gemeinsamen Kühlkreislauf 15 ausgebildet.
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Die zweite Einrichtung 20 umfasst eine Steuereinrichtung 21 zur Steuerung des Leistungsteils 12. Die Steuereinrichtung 21 weist einen Controller 22, beispielsweise einen Microcontroller, auf. Die Steuereinrichtung 21 erhält eine Drehmomentforderung 2 seitens des Fahrzeugs. Die Steuereinrichtung 21 übernimmt die Regelung der elektrischen Maschine 11 und berechnet hierfür einzustellende Wechselspannungen, welche dann über ein Modulationsverfahren (z.B. Pulsweitenmodulation (PWM) oder Space Vector Modulation (SVM / SVPWM)) in Schaltsignale überführt werden. Für die Regelung werden dabei bevorzugt Messdaten der Sensoren 16 verwendet, die der Steuereinrichtung 21 bereitgestellt werden. Die ermittelten Schaltsignale (Logik) werden von der Steuereinrichtung 21 an die Treiberschaltung 13 weitergeleitet. Von der Treiberschaltung 13 werden dann leistungsbehaftete Schaltsignale an den Leistungsteil 12 weitergeleitet. Der Leistungsteil 12 stellt die mehrphasigen Wechselspannungen/Wechselströme für die elektrische Maschine 11 bereit.
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Die zweite Einrichtung 20 und somit die Steuereinrichtung 21 ist getrennt und unabhängig von der ersten Einrichtung 10 ausgebildet und somit separat von dem Leistungsteil 12 und der Treiberschaltung 13. Es ist somit möglich, ein getrennt von der übrigen Leistungselektronik ausgebildetes dediziertes Steuergerät bereitzustellen. Die Steuereinrichtung 21 als thermisch kritisches Bauteil ist folglich von den Hauptwärmequellen der Leistungselektronik, insbesondere dem Leistungsteil 12, separiert. Somit kann eine passive Kühlung durch Kühlrippen an einem Gehäuse der Steuereinrichtung 21 ausreichend sein. Zudem kann die Steuereinrichtung 21 als Gleichteil gefertigt werden, insbesondere unabhängig von der Antriebseinheit. Die Steuereinrichtung 21 ist somit vorteilhafterweise universell für den Betrieb und die Regelung funktional vergleichbarer erster Einrichtungen bzw. Antriebseinheiten einsetzbar. So ist es beispielsweise möglich, dass die zweite Einrichtung 20 nicht nur mit der ersten Einrichtung 10 verwendet werden kann, sondern ebenso mit einer weiteren ersten Einrichtung bzw. einer anderen elektrischen Maschine bzw. einem anderen Leistungsteil. Ebenso ist es denkbar, dass die zweite Einrichtung 20 mit geringem Aufwand mit einer weiteren zweiten Einrichtung 20' austauschbar oder durch eine weitere zweite Einrichtung 20' ersetzbar ist (wobei die weitere zweite Einrichtung 20' eine weitere Steuereinrichtung umfasst).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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