DE102022116936A1

DE102022116936A1 - Bedarfsgerechte Kühlung eines BEV

Info

Publication number: DE102022116936A1
Application number: DE102022116936.7A
Authority: DE
Inventors: Martin HÜTTL
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2024-01-18
Also published as: US20240010065A1; CN117360205A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur bedarfsgerechten Kühlung der Leistungselektronik und der E-Maschine eines batterieelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (BEV).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur bedarfsgerechten Kühlung der Leistungselektronik und der E-Maschine eines batterieelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (BEV).
Bei elektrischen Antrieben in Fahrzeuganwendungen wird die Kühlfunktion der Komponenten in der Regel mit Hilfe einer Wasser-Kühlung mit einem Wasser-Glykol-Gemisch realisiert. Dieses Gemisch wird von einer Kühlmittelpumpe mit einem bestimmten Volumenstrom Q über Kühlschläuche durch die sowohl in Reihe als auch parallel verschalteten Komponenten gefördert.
Bei der Bestimmung des erforderlichen Volumenstrombedarfs durch die Komponenten Leistungselektronik (= Pulswechselrichter) sowie E-Maschine wird in der Regel eine feste Abhängigkeit von der aktuellen Kühlwassertemperatur zu Grunde gelegt, und der notwendige Volumenstrom wird entsprechend eingeregelt. Dieser Volumenstrom ermöglicht das Erreichen der vollen Leistungsfähigkeit, da auch die maximale im Betrieb entstehende Verlustleistung abgeführt werden kann. So wird z. B. bei einer Kühlwassertemperatur von -30°C ein Volumenstrombedarf von 2l/min angenommen, bei einer Kühlwassertemperatur von 25°C ein Volumenstrombedarf von 5l/min, und bei einer Kühlwassertemperatur von 70°C ein Volumenstrombedarf von 10l/min. Durch die statische Abhängigkeit des Volumenstrombedarfs von der aktuellen Wassertemperatur ist es nicht möglich, auf den eigentlichen Kühlbedarf der Komponenten Leistungselektronik und elektrische Maschine im Betrieb einzugehen. Die Kühlung wird stets mit Werten des Volumenstroms Q ausgeführt, die in den meisten Betriebsfällen der Komponenten nicht erforderlich sind. Grund dafür ist, dass der Volumenstrombedarf so ausgelegt ist, dass in jedem Fall die potentiell maximale Leistungsfähigkeit bereitgestellt werden kann.
Die JP 2008 253 098 A betrifft ein Kühlsystem und ein Fahrzeug mit demselben. Eine Steuerung erzeugt eine Stromanweisung basierend auf einer Ausgabe, die für einen AC-Motor erforderlich ist, basierend auf der Stellung eines Gaspedals in dem Fahrzeug, und steuert einen Wechselrichter, um einen tatsächlichen Motorstrom mit der Stromanweisung abzugleichen. Die Steuerung schätzt einen in dem Wechselrichter erzeugten Verlust basierend auf der Stellung des Gaspedals und konfiguriert basierend auf dem geschätzten Verlust eine Zielflussrate Q* von Kühlwasser, das in den Kühlmittelpfaden strömt. Die Steuerung steuert die Drehzahl einer Wasserpumpe, um das Kühlwasser mit der konfigurierten Zielströmungsrate Q* zu zirkulieren.
Die US 2017 / 144 532 A1 offenbart eine Kühlvorrichtung für ein Hybridfahrzeug mit einem Ölumlaufkreislauf, welcher Öl, das von einer elektrischen Ölpumpe abgegeben wird, einem ersten Motor, einem zweiten Motor, einem Wechselrichter und einem Teil mit Schmierungsbedarf zuführt. Der Ölumlaufkreislauf umfasst: einen ersten Kreislauf, der das Öl, das von der elektrischen Ölpumpe abgegeben wird und durch einen HV-Kühler gekühlt wird, dem Wechselrichter, dem ersten Motor und dem zweiten Motor zuführt; und einen zweiten Kreislauf, der das Öl, das von der elektrischen Ölpumpe abgegeben wird, ohne durch den HV-Kühler gekühlt zu werden, dem Teil mit Schmierungsbedarf zuführt. Es ist möglich, die Ölflussrate des ersten Kreislaufs und des zweiten Kreislaufs durch ein Flussraten-Steuerventil zu regulieren, um die Verteilung des Öldurchflusses auf den ersten Kreislauf und den zweiten Kreislauf in Abhängigkeit von dem Fahrzeugzustand, wie etwa der Belastung der Elektromotoren und der Schmieröltemperatur, zu steuern.
Aus der EP 1 942 038 A1 ist ein Kühlsystem bekannt, das für einen Antriebsstrang vorgesehen ist, der ein erstes Antriebssystem mit einer ersten wärmeerzeugenden Antriebsquelle und ein zweites Antriebssystem mit einer zweiten wärmeerzeugenden Antriebsquelle aufweist. Das Kühlsystem umfasst: einen Zirkulationsströmungsweg, der angeordnet ist, um ein Kühlmedium in das erste Antriebssystem strömen zu lassen; einen zweiten Antriebssystem-Strömungsweg, der von dem Zirkulationsströmungsweg abzweigt und angeordnet ist, um das erste Antriebssystem zu umgehen und dadurch das Kühlmedium in das zweite Antriebssystem strömen zu lassen; einen Strömungsraten-Verteilungsregler, der dazu konfiguriert ist, ein Verteilungsverhältnis einer Strömungsrate des in das erste Antriebssystem geströmten Kühlmediums zu einer Strömungsrate des in das zweite Antriebssystem geströmten Kühlmediums unter Umgehung des ersten Antriebssystems zu regulieren; eine elektrische Druckzuführvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Kühlmedium durch den Zirkulationsströmungsweg unter Druck zuzuführen; einen Kühlmitteltemperaturdetektor, der konfiguriert ist, um eine Temperatur des Kühlmittels zu messen; einen ersten Zustandsdetektor, der dazu konfiguriert ist, einen Fahrzustand des ersten Antriebssystems zu erfassen; einen zweiten Zustandsdetektor, der dazu konfiguriert ist, einen Fahrzustand des zweiten Antriebssystems zu erfassen; ein Flussratenanforderungs-Einstellmodul, das dazu konfiguriert ist, eine erste Flussratenanforderung einzustellen, die zum Abkühlen des ersten Antriebssystems erforderlich ist, basierend auf der gemessenen Temperatur des Kühlmediums und dem erfassten Fahrzustand des ersten Antriebssystems, und um eine zweite erforderliche Flussratenanforderung einzustellen zum Herunterkühlen des zweiten Antriebssystems basierend auf der gemessenen Temperatur des Kühlmediums und dem erfassten Fahrzustand des zweiten Antriebssystems; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, den Durchflussverteilungsregler und die elektrische Druckzufuhr zu steuern, um die Durchflussrate des in das erste Antriebssystem strömenden Kühlmediums und die Durchflussrate des in das zweite Antriebssystem strömenden Kühlmediums jeweils entsprechend der ersten Flussratenanforderung und der zweiten Flussratenanforderung einzustellen.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen der Energiebedarf der Wasserkühlung des elektrischen Antriebs eines BEV reduziert und damit die Reichweite des BEV erhöht werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Gegenstand der Erfindung ist ein Kühlsystem für ein batterieelektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (BEV). Ein BEV im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein ausschließlich durch elektrische Maschinen angetriebenes Kraftfahrzeug, das keinen zusätzlichen Verbrennungsmotor enthält, und bei dem die elektrischen Maschinen durch mindestens einen Speicher für elektrische Energie gespeist werden, der in der Regel als HV-Batterie ausgeführt ist.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem umfasst einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe, mindestens eine an den Kühlmittelkreislauf angeschlossene Antriebseinheit, die einen Pulswechselrichter (PWR) und mindestens eine elektrische Maschine (EM) umfasst, und eine Kühlmittelpumpensteuerung. Das Kühlsystem umfasst zudem Mittel zur Messung einer aktuellen Temperatur von leistungselektronischen Bauteilen der mindestens einen Antriebseinheit, Mittel zur Messung einer aktuellen Kühlmitteltemperatur in der mindestens einen Antriebseinheit, und Mittel zur Bestimmung einer aktuellen Verlustleistung der mindestens einen Antriebseinheit, sowie Mittel zur Berechnung eines Soll-Volumenstroms eines Kühlmittels im Kühlsystem. Die Kühlmittelpumpensteuerung ist dafür eingerichtet, eine Förderleistung der Kühlmittelpumpe so zu regeln, dass die Flussrate des Kühlmittelstroms im Kühlsystem dem berechneten Soll-Volumenstrom entspricht.
In einer Ausführungsform umfasst das Kühlsystem auch Mittel zur Messung eines Ist-Kühlmittelvolumenstroms im Kühlsystem. In einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Messung eines Ist-Kühlmittelvolumenstroms im Kühlsystem mindestens einen Durchflussmesser. In einer weiteren Ausführungsform ist der Durchflussmesser ein magnetisch induktiver Durchflussmesser (MID). In anderen Ausführungsformen ist der Durchflussmesser ein Schwebekörper-Durchflussmesser oder ein Ultraschall-Durchflussmesser (USD). In wieder anderen Ausführungsformen ist der Durchflussmesser ein Flügelradzähler, ein Schraubenradzähler, ein Turbinenrad-Durchflussmesser oder ein Woltmannzähler.
Das Kühlsystem umfasst Mittel zur Messung einer aktuellen Temperatur von leistungselektronischen Bauteilen der mindestens einen Antriebseinheit, In einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Messung einer aktuellen Temperatur von leistungselektronischen Bauteilen der mindestens einen Antriebseinheit mindestens einen Temperatursensor. In einer weiteren Ausführungsform weist der mindestens eine Temperatursensor in die leistungselektronischen Bauteile integrierte Halbleiter-Temperatursensoren (Festkörperschaltkreise) auf.
Das Kühlsystem umfasst Mittel zur Messung einer aktuellen Kühlmitteltemperatur in der mindestens einen Antriebseinheit. In einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Messung einer aktuellen Kühlmitteltemperatur in der mindestens einen Antriebseinheit mindestens einen Temperatursensor. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Temperatursensor einen Heißleiter (NTC) oder einen Kaltleiter (PTC). In einer anderen Ausführungsform umfasst der mindestens eine Temperatursensor einen Temperaturfühler mit Schwingquarz als Messelement. Die Resonanzfrequenz des schwingenden Quarzes verändert sich abhängig von der Temperatur und kann sehr präzise gemessen werden. In wieder einer anderen Ausführungsform umfasst der mindestens eine Temperatursensor ein Thermoelement, das eine Temperaturdifferenz durch den Seebeck-Effekt in eine elektrische Spannung umwandelt. In wieder einer anderen Ausführungsform umfasst der mindestens eine Temperatursensor einen faseroptischen Temperatursensor, der das Temperaturprofil entlang einer Glasfaser misst, beruhend auf dem Raman-Effekt oder der temperaturabhängigen Änderung des Brechungsindex in Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBGS).
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur bedarfsgerechten Kühlung einer Antriebseinheit eines BEV, insbesondere ein Verfahren zur Kühlung mindestens einer an ein einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe eines Kühlsystems angeschlossenen Antriebseinheit eines BEV, die einen Pulswechselrichter und mindestens eine elektrische Maschine umfasst.
In dem Verfahren wird ein Soll-Volumenstroms eines Kühlmittels im Kühlsystem als Funktion einer aktuellen Temperatur von leistungselektronischen Bauteilen der mindestens einen Antriebseinheit (einer aktuellen Kühlmitteltemperatur in der mindestens einen Antriebseinheit, und einer aktuellen Verlustleistung der mindestens einen Antriebseinheit berechnet und die Förderleistung der Kühlmittelpumpe wird so geregelt, dass ein Ist-Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlsystem dem berechneten Soll-Volumenstrom entspricht.
Die Leistungselektronik sowie elektrische Maschine ermitteln im Betrieb selbstständig ihren aktuellen Kühlbedarf, so dass ein bedarfsgerechter Volumenstrom dargestellt wird. Zu diesem Zweck wird seitens der Komponenten ein von der aktuell ermittelten Verlustleistung, sowie den aktuell vorherrschenden Temperaturen der Bauteile sowie des Kühlmediums benötigter Soll-Volumenstrom des Kühlkreislaufs bestimmt. Der Soll-Volumenstrom bzw. die Durchflussrate wird in einer Ausführungsform als Funktion f(Verlustleistung Pulswechselrichter, aktuelle Wasser-Temperatur, aktuelle Bauteiltemperaturen) bestimmt. Falls die Verluste gering sind, d. h. ein niedriger Kühlbedarf besteht, so kann der Volumenstrom abgesenkt werden. Beim Abrufen von hoher Leistung seitens der Komponenten kann der Volumenstrom entsprechend dynamisch angehoben werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Ist-Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlsystem gemessen und es wird überprüft, ob der Ist-Volumenstrom dem Soll-Volumenstrom entspricht. In einer weiteren Ausführungsform wird der Ist-Wert des Volumenstrome an den PWR zurückgemeldet und es findet ein Vergleich des Soll-Volumenstroms mit dem Ist-Volumenstrom statt, um zu erkennen, ob der Sollwert auch erreicht wurde. Bei einer Abweichung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert kann dann die Förderleistung der Kühlmittelpumpe entsprechend angepasst werden, bis der Sollwert erreicht ist.
Durch die bedarfsgerechte Kühlfunktion von Leistungselektronik und E-Maschine über Volumenstrom-Sollvorgabe kann der Energiebedarf der Wasserkühlung des elektrischen Antriebs reduziert werden. In der Regel sind alle einbezogenen Komponenten wie Kühlmittelpumpen und Schaltventile über ein Niedervolt-Energie-Netz versorgt, wobei durch reduzierten Volumenstrom Q auch der Energiebedarf der eingesetzten Kühlmittelpumpe sinkt. Dies wiederum führt zu einer höheren elektrischen Fahrzeugreichweite durch höhere Gesamtfahrzeugeffizienz, da für die meisten Betriebsfälle ein reduzierter Volumenstrom gewählt werden kann, was zu geringerer Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe führt. Die Betriebsfälle entsprechen durch das Fahrerwunschmoment definierten Momenten-Anforderungen an Leistungselektronik und E-Maschine, die wiederum aus dem aktuellen Wert des Fahrpedals abgeleitet werden. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems.

1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlsystems 10. Dargestellt ist eine gekühlte Antriebseinheit 11, die einen Pulswechselrichter und mindestens eine elektrische Maschine umfasst, sowie Mittel zur Messung einer aktuellen Temperatur von leistungselektronischen Bauteilen der Antriebseinheit 11, Mittel zur Messung einer aktuellen Kühlmitteltemperatur in der Antriebseinheit 11, und Mittel zur Bestimmung einer aktuellen Verlustleistung der Antriebseinheit 11, sowie Mittel zur Berechnung eines Soll-Kühlmittelvolumenstroms 101. Eine Kühlungssteuerung 12 ist dafür eingerichtet, einen Wert 101 für den Soll-Kühlmittelvolumenstrom im Kühlsystem 10 zu empfangen und über einen Treiber 13 die Drehzahl einer Kühlmittelpumpe 14 zu steuern, um die Flussrate Q eines Kühlmittelstroms 103 im Kühlsystem 10, der die Bauteile der Antriebseinheit 11 kühlt, zu regulieren. Die Kühlungssteuerung 12 ist auch dafür eingerichtet, einen Ist-Kühlmittelvolumenstrom 102 im Kühlsystem 10 zu messen und den Messwert an die Antriebseinheit 11 zu übertragen.
Bezugszeichenliste

10: Kühlsystem
11: Antriebseinheit (Pulswechselrichter und Elektromotor)
12: Kühlungssteuerung
13: Treiber
14: Kühlmittelpumpe
101: Soll-Volumenstrom [l/min]
102: Ist-Volumenstrom [l/min]
103: Kühlmittelstrom

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

JP 2008253098 A [0004]
US 2017144532 A1 [0005]
EP 1942038 A1 [0006]

Claims

Kühlsystem (10) für ein batterieelektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe (14), mindestens eine an den Kühlmittelkreislauf angeschlossene Antriebseinheit (11), die einen Pulswechselrichter und mindestens eine elektrische Maschine umfasst, und eine Kühlmittelpumpensteuerung (12), außerdem Mittel zur Messung einer aktuellen Temperatur von leistungselektronischen Bauteilen der mindestens einen Antriebseinheit (11), Mittel zur Messung einer aktuellen Kühlmitteltemperatur in der mindestens einen Antriebseinheit (11), und Mittel zur Bestimmung einer aktuellen Verlustleistung der mindestens einen Antriebseinheit (11), sowie Mittel zur Berechnung eines Soll-Volumenstroms eines Kühlmittels im Kühlsystem (10), wobei die Kühlmittelpumpensteuerung (12) dafür eingerichtet ist, eine Förderleistung der Kühlmittelpumpe (14) so zu regeln, dass die Flussrate des Kühlmittelstroms im Kühlsystem (10) dem berechneten Soll-Volumenstrom entspricht.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 1, worin die Mittel zur Messung einer aktuellen Temperatur von leistungselektronischen Bauteilen der mindestens einen Antriebseinheit (11) mindestens einen Temperatursensor umfassen.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 2, worin der mindestens eine Temperatursensor in die leistungselektronischen Bauteile integrierte Halbleiter-Temperatursensoren (Festkörperschaltkreise) aufweist.
Kühlsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Mittel zur Messung einer aktuellen Kühlmitteltemperatur in der mindestens einen Antriebseinheit (11) mindestens einen Temperatursensor umfassen.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 4, worin der mindestens eine Temperatursensor einen Heißleiter (NTC) oder einen Kaltleiter (PTC) umfasst.
Kühlsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches Mittel zur Messung eines Ist-Kühlmittelvolumenstroms im Kühlsystem (10) umfasst.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 6, worin die Mittel zur Messung eines Ist-Kühlmittelvolumenstroms im Kühlsystem (10) mindestens einen Durchflussmesser umfassen.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 7, worin der Durchflussmesser ein magnetisch induktiver Durchflussmesser (MID) ist.
Verfahren zur Kühlung mindestens einer an ein einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe (14) eines Kühlsystems (10) angeschlossenen Antriebseinheit (11) eines BEV, die einen Pulswechselrichter und mindestens eine elektrische Maschine umfasst, bei dem ein Soll-Volumenstroms eines Kühlmittels im Kühlsystem (10) als Funktion einer aktuellen Temperatur von leistungselektronischen Bauteilen der mindestens einen Antriebseinheit (11), einer aktuellen Kühlmitteltemperatur in der mindestens einen Antriebseinheit (11), und einer aktuellen Verlustleistung der mindestens einen Antriebseinheit (11) berechnet wird und die Förderleistung der Kühlmittelpumpe (14) so geregelt wird, dass ein Ist-Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlsystem (10) dem berechneten Soll-Volumenstrom entspricht.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Ist-Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlsystem (10) gemessen wird und überprüft wird, ob der Ist-Volumenstrom dem Soll-Volumenstrom entspricht.