DE102020129426A1 - Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges und Kraftfahrzeug - Google Patents

Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges und Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Es wird ein Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Umrichter (2), eine elektrische Maschine (4) und eine Stromschiene (3) zum elektrischen Verbinden des Umrichters (2) mit der elektrischen Maschine (4) vorgeschlagen, wobei zumindest ein Teil der Stromschiene (3) in einem Gehäuse (3.1) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (3.1) zum Kühlen der Stromschiene (3) mit einem dielektrischen Kühlmittel, insbesondere zum Beaufschlagen der Stromschiene (3) mit dem dielektrischen Kühlmittel, konfiguriert ist. Ferner werden ein Verfahren sowie ein Kraftfahrzeug (100) vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges und ein Kraftfahrzeug.
  • In Antriebssträngen elektrisch betriebener Kraftfahrzeuge wird die zum Fahren notwendige Energie typischerweise in Form einer Gleichspannung von einer Batterie zur Verfügung gestellt. Ein Umrichter, üblicherweise ein Pulswechselrichter, konvertiert die Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine des Antriebsstranges. Durch Einflussnahme auf die Konvertierung wird die elektrische Maschine geregelt. Erhält der Umrichter eine Drehmomentforderung, beispielsweise von einem Antriebssteuergerät, so setzt er diese durch Einstellen der entsprechenden elektrischen Spannungen um.
  • Wird die elektrische Maschine unter Last betrieben, entsteht durch elektrische Verluste im Eisen, in den Kupferleitungen und in den Magneten der elektrischen Maschine Wärme. Der Umrichter ist typischerweise über Stromschienen aus Kupfer mit der elektrischen Maschine elektrisch kontaktiert. Aufgrund des ohmschen Widerstandes der Stromschienen entstehen auch hier nicht zu vernachlässigende elektrische Verluste, welche Wärme erzeugen.
  • Die vorherrschenden Temperaturniveaus in der elektrischen Maschine und in den Stromschienen sind dabei insbesondere im Hochlastbetrieb deutlich höher als die Temperaturniveaus in der Leistungselektronik des Umrichters. Hierdurch bildet sich ein Wärmestrom von der elektrischen Maschine über die Stromschienen hin zum Umrichter aus und erwärmt die Bauteile der Leistungselektronik zusätzlich, was zu Schäden und frühzeitiger Alterung des Umrichters führen kann.
  • Um den zusätzlichen Wärmeeintrag am Umrichter zu minimieren, werden die Stromschienen oftmals mit gekühlten Gehäuseteilen über Isolationsfolien oder Wärmeleitpads thermisch kontaktiert. Hierzu ist jedoch eine elektrische Isolierung vorzusehen, welche dennoch thermisch gut leitend ist. Dies ist teuer und aufwendig.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang zur Verfügung zu stellen, welcher die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern welcher auf einfache Art und Weise den Wärmestrom von der elektrischen Maschine zum Umrichter minimiert.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Umrichter, eine elektrische Maschine und eine Stromschiene zum elektrischen Verbinden des Umrichters mit der elektrischen Maschine, wobei zumindest ein Teil der Stromschiene in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse zum Kühlen der Stromschiene mit einem dielektrischen Kühlmittel, insbesondere zum Beaufschlagen der Stromschiene mit dem dielektrischen Kühlmittel, konfiguriert ist.
  • Der erfindungsgemäße Antriebsstrang ermöglicht eine hocheffektive Kühlung der Stromschiene und ist dadurch in der Lage, eine Wärmesenke zwischen der elektrischen Maschine und dem Umrichter darzustellen. Durch die direkte Kühlung mit dem dielektrischen Kühlmittel ist keine gesonderte elektrische Isolierung innerhalb des Gehäuses vorzusehen. Vorzugsweise weist der Antriebsstrang mindestens eine Stromschiene zur elektrischen Kontaktierung von Umrichter und elektrischer Maschine pro Phase an, mit welcher die elektrische Maschine betrieben wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass jede Stromschiene zur elektrischen Kontaktierung von Umrichter und elektrischer Maschine im Gehäuse von dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt und somit gekühlt wird. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang bietet weiterhin Vorteile im Hinblick auf die mechatronische Integrationsfähigkeit von Umrichter und elektrischer Maschine. Die elektrische Maschine und der Umrichter können näher aneinander platziert werden, da auch bei unterschiedlichen Temperaturniveaus ein Wärmestrom von der elektrischen Maschine zum Umrichter effektiv vermieden oder zumindest stark reduziert werden kann.
  • Unabhängig hiervon sinken die Stromwärmeverluste in der Stromschiene, da sich die Temperatur des leitenden Materials der Stromschiene, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, reduziert und sich somit dessen elektrische Leitfähigkeit verbessert. Ferner ermöglicht der erfindungsgemäße Antriebsstrang neue Designfreiheitsgrade, da kein thermischer Kontakt, beispielsweise über eine Isolationsfolie oder ein Wärmeleitpad, zwischen der Stromschiene und dem Gehäuse zur Entwärmung mehr bestehen muss.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste Kühleinrichtung des Umrichters zum Kühlen eines umrichterseitigen ersten Anschlussteils der Stromschiene konfiguriert ist. Hierdurch ist eine weitere Wärmesenke auf dem Wärmepfad von der elektrischen Maschine zu den Leistungshalbleitern des Umrichters direkt vor den Leistungshalbleitern ermöglicht. Denkbar ist, dass die erste Kühleinrichtung in eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Leistungshalbleiter integriert ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hierzu vorgesehen, dass die erste Kühleinrichtung zum Beaufschlagen des ersten Anschlussteils mit dem dielektrischen Kühlmittel konfiguriert ist. Dies ermöglicht eine hocheffektive direkte Kühlung ohne die Notwendigkeit, elektrische Isolierungen vorsehen zu müssen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine zweite Kühleinrichtung der elektrischen Maschine zum Kühlen eines maschinenseitigen zweiten Anschlussteils der Stromschiene konfiguriert ist. Hierdurch ist eine zusätzliche weitere Wärmesenke auf dem Wärmepfad von der elektrischen Maschine zum Umrichter ermöglicht. Diese Wärmesenke führt Wärme direkt an der elektrischen Maschine ab, so dass sich die Stromschiene deutlich weniger erwärmt. Denkbar ist, dass die zweite Kühleinrichtung in eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der elektrischen Maschine integriert ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hierzu vorgesehen, dass die zweite Kühleinrichtung zum Beaufschlagen des zweiten Anschlussteils mit dem dielektrischen Kühlmittel konfiguriert ist. Dies ermöglicht eine hocheffektive direkte Kühlung ohne die Notwendigkeit, elektrische Isolierungen vorsehen zu müssen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass auf eine Oberfläche der Stromschiene eine Struktur aufgebracht ist, wobei die Struktur vorzugsweise eine Pin-Fin-Struktur oder eine Rippenstruktur ist. Die Struktur vergrößert effektiv die Oberfläche der Stromschiene, so dass mehr Wärme an das dielektrische Kühlmittel von der Oberfläche abgegeben werden kann. Zudem ist es möglich, das dielektrische Kühlmittel mit der Struktur, insbesondere mit der Pin-Fin-Struktur zu verwirbeln, so dass auch dessen Wärmeaufnahmefähigkeit gesteigert wird. Ein Verwirbeln bewirkt das schnelle Vermischen von gerade aufgeheizten Teilen des dielektrischen Kühlmittels mit noch nicht aufgeheizten Teilen, so dass dessen Temperatur vergleichmäßigt wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass auf die Oberfläche nur im Gehäuse und/oder am ersten Anschlussteil und/oder am zweiten Anschlussteil die Struktur aufgebracht ist. Hierdurch wird der Bearbeitungsaufwand der Stromschiene reduziert. Denkbar ist, dass die Struktur nur im Gehäuse und/oder am ersten Anschlussteil und/oder am zweiten Anschlussteil unterschiedlich ausgeführt ist. Es ist beispielsweise denkbar, dass an den Anschlussteilen eine Fin-Pin-Struktur und im Gehäuse eine Rippenstruktur angeordnet ist. Denkbar sind aber auch andere Kombinationen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges, wobei die Stromschiene zum Kühlen mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, durch hocheffektive Kühlung eine Wärmesenke an der Stromschiene darzustellen. Durch die direkte Kühlung mit dem dielektrischen Kühlmittel kann auch eine gesonderte elektrische Isolierung innerhalb des Gehäuses verzichtet werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stromschiene innerhalb des Gehäuses mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt wird und dass der erste Anschlussteil von der ersten Kühleinrichtung mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt wird und dass der zweite Anschlussteil von der zweiten Kühleinrichtung mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt wird. Die Kühlung erfolgt also getrennt an drei Stellen. Hierdurch wird der Wärmefluss von der elektrischen Maschine zur Leistungselektronik des Umwandlers minimiert.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang.
  • Alle zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf das erfindungsgemäße Verfahren sowie auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
    • 1 illustriert schematisch einen Antriebsstrang gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 (a) und 2 (b) illustrieren jeweils schematisch ein Detail eines Antriebsstranges gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 1 illustriert schematisch einen Antriebsstrang 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Antriebsstrang 1 weist eine Batterie 5 auf, welche mit einem Umrichter 2 elektrisch kontaktiert ist. Der Umrichter 2 weist sechs Leistungshalbleiter 2.3 auf, mit denen er eine von der Batterie 5 bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannungen konvertiert. Ein Zwischenkreiskondensator 2.4 verkoppelt das Gleichspannungsnetz der Batterie 5 und das Wechselspannungsnetz der Leistungshalbleiter 2.3.
  • Der Antriebsstrang 1 weist ferner eine elektrische Maschine 4 auf, welche mit drei Phasen der vom Umrichter 2 konvertierten Wechselspannung versorgt wird. Dazu ist der Umrichter 2 mittels dreier Stromschienen 3 mit der elektrischen Maschine 4 verbunden.
  • Im Betrieb entwickeln die elektrische Maschine 4 und die Stromschienen 3 Abwärme. Es kommt zu einem Wärmestrom (dargestellt durch Pfeile) von der elektrischen Maschine 4 über die Stromschienen 3 zum Umrichter 2. Um die empfindlichen Leistungshalbleiter 2.3 des Umrichters 2 vor zu viel Wärme zu schützen, werden die Stromschienen 3 in einem Gehäuse 3.1 mit einem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt. Das direkte Beaufschlagen sorgt für eine hocheffektive Kühlung. Ferner muss aufgrund der elektrisch isolierenden Eigenschaft des dielektrischen Kühlmittels keine Isolierung auf den Stromschienen 3 im Bereich des Gehäuses 3.1 vorgesehen werden. Die hierdurch erzeugte Wärmesenke verringert den Wärmestrom von der elektrischen Maschine 4 zum Umwandler 2 bereits deutlich.
  • Neben der Kühlung der Stromschienen 3 im Gehäuse 3.1 wird ein umwandlerseitiger erster Anschlussteil 3.2 der Stromschienen 3 in einer ersten Kühleinrichtung 2.1 des Umwandlers 2 mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt. Dazu ist die erste Kühleinrichtung 2.1 in einen ersten Kühlkreislauf 2.2 zum Kühlen des Umwandlers 2 integriert. Ferner wird ein maschinenseitiger zweiter Anschlussteil 3.3 in einer zweiten Kühleinrichtung 4.1 der elektrischen Maschine 4 mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt. Dazu ist die zweite Kühleinrichtung 4.1 in einen zweiten Kühlkreislauf 4.2 zum Kühlen der elektrischen Maschine 4 integriert.
  • 2 (a) und 2 (b) illustrieren jeweils schematisch ein Detail eines Antriebsstranges (siehe 1) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 (a) zeigt einen Abschnitt von drei Stromschienen 3. Zu erkennen ist das Gehäuse 3.1. Im Bereich des Gehäuses 3.1 sind auf den Oberflächen der Stromschienen 3 Strukturen 3.4 angeordnet. Die Strukturen 3.4 sind hier in Form von Fin-Pin-Strukturen ausgebildet, welche die Oberfläche der Stromschienen 3 vergrößern und das vorbeiströmende Kühlmittel verwirbeln. Hierdurch ist eine deutlich verbesserte Kühlung zu erreichen.
  • 2 (b) zeigt ebenso wie 2 (a) einen Abschnitt von drei Stromschienen 3 mit einer Struktur 3.4 Die Strukturen 3.4 sind hier in Form von Rippen-Strukturen ausgebildet, welche die Oberfläche der Stromschienen 3 vergrößern
  • 3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 100 weist einen Antriebsstrang 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf.

Claims (10)

  1. Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Umrichter (2), eine elektrische Maschine (4) und eine Stromschiene (3) zum elektrischen Verbinden des Umrichters (2) mit der elektrischen Maschine (4), wobei zumindest ein Teil der Stromschiene (3) in einem Gehäuse (3.1) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (3.1) zum Kühlen der Stromschiene (3) mit einem dielektrischen Kühlmittel, insbesondere zum Beaufschlagen der Stromschiene (3) mit dem dielektrischen Kühlmittel, konfiguriert ist.
  2. Antriebsstrang (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kühleinrichtung (2.1) des Umrichters (2) zum Kühlen eines umrichterseitigen ersten Anschlussteils (3.2) der Stromschiene (3) konfiguriert ist.
  3. Antriebsstrang (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühleinrichtung (2.1) zum Beaufschlagen des ersten Anschlussteils (3.2) mit dem dielektrischen Kühlmittel konfiguriert ist.
  4. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Kühleinrichtung (4.1) der elektrischen Maschine (4) zum Kühlen eines maschinenseitigen zweiten Anschlussteils (3.3) der Stromschiene (3) konfiguriert ist.
  5. Antriebsstrang (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühleinrichtung (4.1) zum Beaufschlagen des zweiten Anschlussteils (3.3) mit dem dielektrischen Kühlmittel konfiguriert ist.
  6. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Oberfläche der Stromschiene (3) eine Struktur (3.4) aufgebracht ist, wobei die Struktur (3.4) vorzugsweise eine Pin-Fin-Struktur oder eine Rippenstruktur ist.
  7. Antriebsstrang (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche nur im Gehäuse (3.1) und/oder am ersten Anschlussteil (3.2) und/oder am zweiten Anschlussteil (3.3) die Struktur (3.4) aufgebracht ist.
  8. Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (3) zum Kühlen mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (3) innerhalb des Gehäuses (3.1) mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt wird und dass der erste Anschlussteil (3.2) von der ersten Kühleinrichtung (2.1) mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt wird und dass der zweite Anschlussteil (3.3) von der zweiten Kühleinrichtung (4.1) mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt wird.
  10. Kraftfahrzeug (100) aufweisend einen Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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