DE102022111447A1

DE102022111447A1 - Pulswechselrichter sowie Antriebsstrang und Verfahren zur Erwärmung eines Kühlmittels

Info

Publication number: DE102022111447A1
Application number: DE102022111447.3A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Barkow; Timijan Velic; Pascal Heusler; Stefan Gatzemann; Jannik Maier
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2023-11-09
Also published as: KR20230157254A; JP2023166343A; US20230363122A1

Abstract

Pulswechselrichtergehäuse (20; 21) durch ein strömendes Kühlmittel über Gehäusemittel (24, 26) zu kühlen ist, wobei die Leistungselektronik zumindest einen Controller, einen Gate-Treiber und eine Leistungselektronik (8) mit Halbleiterelementen (50) aufweist, wobei der Gate-Treiber (10) zum Schalten eines Halbleiterelementes (50) eine Einschaltspannung U_GS und eine Ausschaltspannung U₀ bereitstellt und hierzu vom Controller ansteuerbar ist, wobei der Controller (12) Steuermittel aufweist, durch die eine Widerstandsspannung U_R < U_GS einstellbar ist, wodurch eine Verlustleistung Pv generierbar ist, die ein Aufheizen der Leistungselektronik (8) und/oder des Kühlmittels bewirkt. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem derartigen Pulswechselrichter sowie ein Verfahren zur Erwärmung eines Kühlmittels in einem derartigen Antriebsstrang.

Description

Die Erfindung betrifft einen Pulswechselrichter mit einem Pulswechselrichtergehäuse, in dem zumindest eine Leistungselektronik vorgesehen ist, wobei zumindest das Pulswechselrichtergehäuse durch ein strömendes Kühlmittel über Gehäusemittel zu kühlen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem derartigen Pulswechselrichter sowie ein Verfahren zur Erwärmung eines Kühlmittels in einem derartigen Antriebsstrang.
In einem elektrischen Antriebsstrang wird für den Betrieb einer Elektromaschine ein Pulswechselrichter benötigt. Der Pulswechselrichter konvertiert die Gleichspannung der Batterie in eine mehrphasige Wechselspannung und besitzt hierfür zumindest eine Leistungselektronik, die mit einem Gate-Treiber und einem Controller zusammenwirkt. Es ist nicht zwingend notwendig, dass alle Elektronikbauteile in einem Gehäuse untergebracht werden, wobei insbesondere die Leistungselektronik sich stark erwärmen kann, und daher genau wie die Elektromaschine im Antriebsstrang zu kühlen ist. Einen gekühlten Antriebsstrang, bei dem der Pulswechselrichter und die Elektromaschine durch ein strömendes Kühlmittel, hier Wasser, gekühlt wird, ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 211 763 A1 bekannt. Hierbei wird eine erhöhte Verlustleistung der Leistungselektronik, also der elektronischen Bauteile, und/oder der Elektromaschine, hierbei insbesondere des Stators, genutzt, um eine elektrische Komponente, hier einen Energiespeicher, bei kalten Temperaturen zu erwärmen. Diese Vorgehensweise kann schnell zu einer Überbelastung und damit Beschädigung der Leistungselektronik oder auch der Elektromaschine führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den oben genannten Nachteil auf einfache und kostengünstige Weise zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Leistungselektronik zumindest einen Controller, einen Gate-Treiber und eine Leistungselektronik mit Halbleiterelementen aufweist, wobei der Gate-Treiber zum Schalten eines Halbleiterelementes eine Einschaltspannung U_GS und eine Ausschaltspannung U₀ bereitstellt und hierzu vom Controller ansteuerbar ist, wobei der Controller Steuermittel aufweist, durch die eine Widerstandsspannung U_R < U_GS einstellbar ist, wodurch eine Verlustleistung Pv generierbar ist, die ein Aufheizen der Leistungselektronik und/oder des Kühlmittels bewirkt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Leistungselektronik mindestens einen Leistungssensor zur Erfassung einer elektrischen Spannung U_DS oder eines elektrischen Stromes I_DS auf. Hierdurch ist eine genaue Temperatursteuerung im Kühlmittelkreislauf möglich.
In besonders vorteilhafter Weise weist das Pulswechselrichtergehäuse mindestens eine Kühlmitteleinlassöffnung und mindestens eine Kühlmittelauslassöffnung als Gehäusemittel auf, derart, dass das Kühlmittel unter direktem Kontakt zur Leistungselektronik durch das Pulswechselrichtergehäuse strömt, wobei das Kühlmittel ein Dielektrikum ist. Dadurch, dass das Dielektrikum die Leistungselektronik im Pulswechselrichtergehäuse komplett oder teilweise umströmt, entsteht eine volumenumhüllende Kontaktfläche zwischen Leistungselektronik und Dielektrikum. Die Kontaktfläche zwischen Leistungselektronik und Dielektrikum wird dadurch im Vergleich zum Stand der Technik deutlich vergrößert. Zusätzlich wird, bei der hier beschriebenen Art des Wärmeaustausches, die in der Leistungselektronik entstehende Wärme direkt vom strömenden Kühlmittel aufgenommen und abtransportiert. Die Vergrößerung der Kontaktfläche bei gleichzeitiger Minimierung der Anzahl der Wärmeübergänge führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Kühl- bzw. Erwärmungseffizienz.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch einen Antriebsstrang mit einem derartigen Pulswechselrichter, wobei eine Elektromaschine vorgesehen ist, mit einem Kühlkreislauf mit einem Energiespeicher, wobei sich die Elektromaschine an den Pulswechselrichter anschließt, wobei ein Elektromaschinengehäuse ebenfalls derart ausgebildet ist, dass es durch das Kühlmittel durchströmbar ist.
Der Pulswechselrichter, die Elektromaschine und der Energiespeicher können im Gesamtfahrzeugkühlkreislauf integriert sein. In vorteilhafter Weise ist ein separater Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe und einem Wärmetauscher vorgesehen, um den Kühlmittel- und Wärmestrom besonders einfach steuern zu können. Hierbei können Umschaltmittel zur Änderung einer Durchströmrichtung des Dielektrikums vorgesehen sein, um auf besondere Betriebssituationen einfach reagieren zu können. Die Umschaltmittel können hierbei daraus bestehen, dass die Drehrichtung der Kühlmittelpumpe geändert werden kann oder auch, dass Ventile vorgesehen sind, durch die die Durchströmrichtung zu ändern sind.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Erwärmung eines Kühlmittels in einem derartigen Antriebsstrang wobei in einem ersten Schritt mittels eines Temperatursensors eine Temperatur T ermittelt wird, in einem zweiten Schritt ein Vergleichen der Temperatur T mit einem hinterlegten Temperaturschwellwert durchgeführt wird, in einem dritten Schritt eine Widerstandsspannung U_R < U_GS eingestellt wird.
In vorteilhafter Weise wird hierbei in einem vierten Schritt in der Leistungselektronik durch mindestens einen Leistungssensor eine elektrische Spannung U_DS oder ein elektrischer Strom I_DS erfasst und an den Controller als Steuergröße zurückgeführt.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines einfachen elektrischen Antriebsstranges mit einem separaten Kühlkreislauf,
2 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform eines Pulswechselrichters,
3 eine schematische Darstellung eines Gate-Treibers mit einem angeschlossenen Halbleiterelementes, und
4 ein Spannungs-Widerstands-Diagramm.

1 zeigt einen sehr einfachen Antriebsstrang 2 eines nicht weiter dargestellten Elektrokraftfahrzeuges. Der Antriebsstrang 2 besteht hierbei aus einer Elektromaschine 4 und einem sich daran anschließenden Pulswechselrichter 6. Der Pulswechselrichter 6 konvertiert hierbei die Gleichspannung einer nicht weiter dargestellten Batterie in eine mehrphasige Wechselspannung für den Betrieb der Elektromaschine 4 und übernimmt somit die Regelung der Elektromaschine 4. Der Pulswechselrichter 6 erhält hierzu beispielsweise von einem nicht weiter dargestellten Antriebssteuergerät eine Drehmomentanforderung und setzt diese durch Einstellung der entsprechenden elektrischen Spannungen um. Hierzu kann der Pulswechselrichter 4, wie genauer in den 2 und 3 dargestellt, aus drei funktionalen Komponenten 8, 10, 12 aufgebaut sein. Eine Leistungselektronik 8 beinhaltet hierbei eine sogenannte Kommutierungszelle, bestehend aus den Halbleiterelement-Schaltern und den Zwischenkreiskondensator. Zudem sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Leistungselektronik 8 die Sensoren für die Erfassung der elektrischen Spannungen und der elektrischen Ströme integriert. Ein Gate-Treiber 10 ist für die Ansteuerung von Halbleiterelement-Schaltern erforderlich und setzt die Schaltsignale eines Controllers 12 um.
Der Controller 12 übernimmt im Wesentlichen die Regelung der Elektromaschine 4 und berechnet die einzustellenden Wechselspannungen.
Insbesondere die Leistungselektronik 8 kann neben der Elektromaschine 4 eine hohe Wärmeentwicklung erfahren. Zudem ist ein Energiespeicher 13 zur Versorgung der Elektromaschine 4 dargestellt. Um eine effektive Kühlung sowohl der Elektromaschine 4 als auch des Pulswechselrichters 6 zu gewährleisten, ist ein Kühlkreislauf 14 mit einer Kühleinrichtung 15, die eine Kühlmittelpumpe 16 und einen Wärmetauscher 17 umfasst, vorgesehen. Die Kühlmittelpumpe 16 weist hierbei eine Drehrichtungsumkehr als Umschaltmittel 18 auf, um eine Änderung einer Durchströmrichtung eines im Kühlmittelkreislaufes 14 befindlichen Kühlmittels vorzusehen.
Der Kühlmittelkreislauf 14 ist hierbei derart ausgelegt, dass sowohl ein Pulswechselrichtergehäuse 20 als auch ein Elektromaschinengehäuse 22 derart ausgebildet sind, dass diese durch das Kühlmittel durchströmbar sind. Hierzu weist sowohl das Pulswechselrichtergehäuse 20 eine Kühlmitteleinlassöffnung 24 und eine Kühlmittelauslassöffnung 26 und auch das Elektromaschinengehäuse 22 eine Kühlmitteleinlassöffnung 28 und eine Kühlmittelauslassöffnung 30 auf, wobei die Begrifflichkeiten derart gewählt sind, dass zunächst das Pulswechselrichtergehäuse 20 und nachfolgend das Elektromaschinengehäuse 22 vom Kühlmittel durchströmt werden. Bei einer Richtungsumkehr würden die Begrifflichkeiten „Einlassöffnung“ und „Auslassöffnung“ entsprechend gewechselt. Als Kühlmittel ist hierbei ein Dielektrikum vorgesehen. Bei kalten Außentemperaturen muss beispielsweise der Energiespeicher 13 schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden. Hierzu kann der Kühlkreislauf 14, wie unten ausgeführt, genutzt werden. An dem Energiespeicher 13 ist ein nicht weiter dargestellter Temperatursensor vorgesehen, der die am Energiespeicher 13 vorliegende Temperatur T erfasst.
2 zeigt nun eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Pulswechselrichters 6 mit dem Pulswechselrichtergehäuse 20. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem der Pulswechselrichter 6 in Strömungsrichtung gesehen vor der Elektromaschine 4 angeordnet ist, besitzt das Pulswechselrichtergehäuse 20 die Kühlmitteleinlassöffnung 24 und die Kühlmittelauslassöffnung 26, die direkt fluidisch mit einem Nassraum 32 des Pulswechselrichtergehäuses 20 verbunden sind. Das Pulswechselrichtergehäuse 20 weist zudem einen Trockenraum 34 auf, der durch ein Dichtorgan 36 von dem Nassraum 32 fluidisch getrennt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist im Nassraum 32 die Leistungselektronik 8, der Gate-Treiber 10 sowie ein Zwischenkreiskondensator 38 vorgesehen, wobei diese Komponenten 8, 10, 38 direkt vom Dielektrikum umströmt werden. Die elektrischen Anschlüsse 46 der Leistungselektronik 8 und des Zwischenkreiskondensators 38 werden ebenfalls vom Kühlmittel umströmt und dadurch optimal gekühlt. Im Trockenraum 34 ist lediglich der Controller 12 vorgesehen. Über elektrische Verbindungen 48 sind der Gate-Treiber 10 und der Controller 12 mit der Leistungselektronik 8 elektrisch verbunden.
3 zeigt nun eine schematische Darstellung eines Gate-Treibers 10 mit einem angeschlossenen Halbleiterelement 50. Wenn nun eine Temperatur T am Energiespeicher 13 ermittelt wird, die einen hinterlegten Temperaturschwellwert Ts unterschreitet, wird auf dem Gate-Treiber 10 eine sogenannte Widerstandsspannung U_R < U_GS (Gate-Spannung) eingestellt, die zum verlustfreien Schalten des Halbleiterelementes 50 benötigt wird. Hierdurch wird auf einfachste Weise ein Widerstand R_DS mit einem Strom I_DS und einer Spannung U_DS, realisiert, die zu einer Verlustleistung Pv und damit zu einer Erwärmung des Pulswechselrichters 6 und damit des Kühlmittels führt. Über das Kühlmittel kann dann wiederum der Energiespeicher 13 auf die geforderte Betriebstemperatur erwärmt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn in der Leistungselektronik 8 durch mindestens einen Leistungssensor eine elektrische Spannung U_DS oder ein elektrischer Stromes I_DS erfasst wird und an den Controller 12 als Steuergröße zurückgeführt wird.
4 zeigt nun ein Diagramm, bei dem der Widerstand R_DS über der Spannung U_GS dargestellt ist. Mit 52 ist ein Bereich bezeichnet, bei dem die Spannung U_R < U_GS und folglich eine Verlustleistung Pv und damit Wärme erzeugt wird.
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 102016211763 A1 [0002]

Claims

Pulswechselrichter mit einem Pulswechselrichtergehäuse (20; 21), in dem zumindest eine Leistungselektronik (8) vorgesehen ist, wobei zumindest das Pulswechselrichtergehäuse (20; 21) durch ein strömendes Kühlmittel über Gehäusemittel (24, 26) zu kühlen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik zumindest einen Controller, einen Gate-Treiber und eine Leistungselektronik (8) mit Halbleiterelementen (50) aufweist, wobei der Gate-Treiber (10) zum Schalten eines Halbleiterelementes (50) eine Einschaltspannung U_GS und eine Ausschaltspannung U₀ bereitstellt und hierzu vom Controller ansteuerbar ist, wobei der Controller (12) Steuermittel aufweist, durch die eine Widerstandsspannung U_R < U_GS einstellbar ist, wodurch eine Verlustleistung Pv generierbar ist, die ein Aufheizen der Leistungselektronik (8) und/oder des Kühlmittels bewirkt.
Pulswechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (8) mindestens einen Leistungssensor zur Erfassung einer elektrischen Spannung U_DS oder eines elektrischen Stromes I_DS aufweist.
Pulswechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulswechselrichtergehäuse (20; 21) mindestens eine Kühlmitteleinlassöffnung (24) und mindestens eine Kühlmittelauslassöffnung (26) als Gehäusemittel aufweist, derart, dass das Kühlmittel unter direktem Kontakt zur Leistungselektronik (8) durch das Pulswechselrichtergehäuse (20; 21) strömt, wobei das Kühlmittel ein Dielektrikum ist.
Antriebsstrang mit einem Pulswechselrichter (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Elektromaschine (4) vorgesehen ist, mit einem Kühlkreislauf mit einem Energiespeicher (13), dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elektromaschine (4) an den Pulswechselrichter (6) anschließt, wobei ein Elektromaschinengehäuse (22) ebenfalls derart ausgebildet ist, dass es durch das Kühlmittel durchströmbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulswechselrichter, die Elektromaschine (4) und der Energiespeicher (13) im Gesamtfahrzeugkühlkreislauf integriert sind.
Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein separater Kühlkreislauf (14) mit einer Kühlmittelpumpe (16) und einem Wärmetauscher (17) vorgesehen ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Umschaltmittel (18) zur Änderung einer Durchströmrichtung des Kühlmittels vorgesehen sind.
Verfahren zur Erwärmung eines Kühlmittels in einem Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt mittels eines Temperatursensors eine Temperatur T ermittelt wird, in einem zweiten Schritt ein Vergleichen der Temperatur T mit einem hinterlegten Temperaturschwellwert Ts durchgeführt wird, in einem dritten Schritt eine Widerstandsspannung U_R < U_GS eingestellt wird.
Verfahren zur Erwärmung eines Kühlmittels nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Schritt in der Leistungselektronik (8) durch mindestens einen Leistungssensor eine elektrischer Spannung U_DS oder ein elektrischer Stromes I_DS erfasst wird und an den Controller (12) als Steuergröße zurückgeführt wird.