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Die vorliegende Erfindung betrifft die Kühlung einer Leistungselektronikkomponente. Insbesondere betrifft die Erfindung die Flüssigkeitskühlung einer Leistungselektronikkomponente an Bord eines Kraftfahrzeugs.
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Ein Kraftfahrzeug kann mittels einer elektrischen Maschine angetrieben werden. Ein mitgeführter elektrischer Energiespeicher stellt einen Gleichstrom zur Verfügung, der mittels eines Stromrichters in mehrere Wechselströme zur Ansteuerung der Maschine umgewandelt wird. Die Wechselströme können so gesteuert werden, dass die Maschine ein vorbestimmtes Drehmoment bereitstellt und/oder eine vorbestimmte Drehzahl einnimmt.
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Der Stromrichter umfasst üblicherweise elektrische Stromventile, die als Halbleiter ausgeführt sind. Einer oder mehrere Stromventile sind in einer Leistungselektronikkomponente aufgenommen, die elektrisch mit der Maschine und dem Energiespeicher verbunden ist. Die Leistungselektronikkomponente kann auf kleinem Raum eine hohe elektrische Leistung umsetzen, wobei es sich erwärmen kann. Zur effizienten Ableitung von Wärme kann eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen sein und die Leistungselektronikkomponente kann einen Fluidkanal aufweisen, durch den Flüssigkeit der Flüssigkeitskühlung strömen kann.
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Hydraulische Leitungen der Flüssigkeitskühlung an Bord des Kraftfahrzeugs können eine beträchtliche Länge erreichen, insbesondere wenn das Kraftfahrzeug einen Lastwagen umfasst. Beispielsweise durch Alterung, Korrosion oder bei einem Serviceeingriff können sich Ablagerungen oder Fremdkörper an einer Stelle im Kühlkreislauf ansammeln. Die Flüssigkeit kann dann nicht ungehindert fließen und eine Kühlung der Leistungselektronikkomponente kann nicht mehr in allen Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs sichergestellt sein. Zwar kann ein verringerter Volumenstrom von Flüssigkeit durch den Fluidkanal noch ausreichen, um die Maschine zu einer durchschnittlichen Antriebsleistung anzusteuern; sollte jedoch beispielsweise schnell ein stark erhöhtes Drehmoment erforderlich werden, so kann die Leistungselektronikkomponente überhitzen. Der Antriebsmotor muss dann in seiner Leitung reduziert oder gar abgeschaltet werden, was zu einem gefährlichen Fahrzustand führen kann.
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Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Technik zur Flüssigkühlung einer Leistungselektronikkomponente. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Kühlsystem für eine Leistungselektronikkomponente ist dazu eingerichtet, einen Strom von Flüssigkeit durch einen Fluidkanal einer Leistungselektronikkomponente bereitzustellen. Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern des Kühlsystems Schritte des Erfassens eines vorbestimmten Betriebszustands der Leistungselektronikkomponente; und des Ansteuerns einer Reinigungssequenz, um den Fluidkanal von einem möglichen Fremdkörper oder einer Ablagerung zu befreien. Dabei umfasst die Reinigungssequenz eine Änderung eines durch den Fluidkanal fließenden Volumenstroms der Flüssigkeit.
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Es wurde erkannt, dass die üblicherweise gleichbleibenden oder nur wenig veränderlichen Strömungsverhältnisse in einem Kühlsystem eine Ansammlung von Ablagerungen oder Fremdkörpern begünstigen. Die Ansammlungen können insbesondere in einem Bereich besonders geringer oder besonders gleichmäßiger Strömung oder an einer komplexen Strömungsgeometrie auftreten. Solche Bedingungen können sich insbesondere im Fluidkanal der Leistungselektronikkomponente finden, wo beispielsweise Mäander für einen langen und schmalen Kanalverlauf mit vielen Strömungshindernissen sorgen können. Durch die Reinigungssequenz können beginnende Ansammlungen aufgelöst und im Kühlsystem fortgespült werden. Eine Verengung eines Strömungsquerschnitts im Bereich der Leistungselektronikkomponente kann verhindert werden, sodass die Leistungselektronikkomponente verbessert gekühlt werden kann.
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Die Reinigung des Fluidkanals kann präventiv erfolgen, um dem Aufbau einer fluiden Engstelle frühzeitig entgegen zu wirken. Außerhalb des Fluidkanals können Ansammlungen weniger wahrscheinlich sein, sodass fortgespülte Ablagerungen keinen Schaden an einer anderen Stelle verursachen können. Bevorzugt umfasst das Kühlsystem einen Filter zur dauerhaften Entfernung oder Bindung von Partikeln oder Ablagerungen aus der Flüssigkeit.
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Eine Standfestigkeit der Leistungselektronikkomponente gegenüber einer in ihm umgesetzten elektrischen Leistung kann verbessert sein. Eine Einschränkung einer kurzzeitig oder dauerhaft in der Leistungselektronikkomponente umsetzbaren elektrischen Leistung aufgrund mangelnder Kühlung kann vermieden werden. Insgesamt kann ein die Leistungselektronikkomponente umfassendes System verbessert zuverlässig oder leistungsfähig sein.
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Es ist allgemein bevorzugt, dass die Ansteuerung der Reinigungssequenz unabhängig von einer Steuerung des Volumenstroms von Flüssigkeit durch den Fluidkanal in Abhängigkeit einer Temperatur oder einer angeforderten elektrischen Leistung der Leistungselektronikkomponente durchgeführt wird. Trotzdem kann eine Einrichtung zur Steuerung eines Volumenstroms von Flüssigkeit in Abhängigkeit einer Temperatur auch zur Bewirkung eines hydraulischen Reinigungsvorgangs verwendet werden.
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Die Änderung erfolgt bevorzugt impulsartig. Während bei einer üblichen Steuerung des Volumenstroms in Abhängigkeit einer abzutransportierenden Wärmemenge eine impulsartige Änderung üblicherweise vermieden wird, kann im Rahmen der Reinigungssequenz gezielt ein Druck- oder Volumenstoß herbeigeführt werden. Von einem Impuls kann gesprochen werden, wenn eine Änderungsgeschwindigkeit des Drucks oder Volumenstroms einen zugeordneten Schwellenwert übersteigt. Dabei kann sowohl ein Anstieg als auch ein Abfall des Drucks bzw. des Volumenstroms gesteuert werden. So kann ein Joukowsky-Stoß („Wasserhammer“) genutzt werden, um eine Ablagerung oder ein Fremdkörper im Fluidkanal zu lösen oder zu entfernen. Wie unten noch genauer ausgeführt ist, kann dafür gesorgt sein, dass der Fluidstoß im Wesentlichen im Bereich des Fluidkanals auftritt und andere Elemente des Kühlsystems möglichst wenig oder gar nicht davon betroffen sind.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine Fließrichtung der Flüssigkeit durch den Fluidkanal temporär umgekehrt. Dazu kann beispielsweise ein Magnetventil im Bereich des Fluidkanals vorgesehen sein, das in einer ersten Stellung einen Fluss in einer ersten Richtung und in einer zweiten Stellung einen Fluss in einer entgegengesetzten zweiten Richtung durch den Fluidkanal ermöglicht. In beiden Fällen ist der Volumenstrom durch das Kühlsystem bereitgestellt. Das Kühlsystem kann eine Pumpe zur Förderung von Flüssigkeit umfassen, wobei die Pumpe dazu angesteuert werden kann, ihre Förderrichtung zu ändern. Dies ist vorzugsweise mit einer Verdrängerpumpe möglich, insbesondere wenn sie elektrisch angesteuert oder angetrieben ist.
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Im Rahmen der Reinigungssequenz kann ein Strom von Flüssigkeit durch den Fluidkanal temporär gestoppt werden. In einer ersten Variante kann der Strom unterbrochen werden, beispielsweise mittels eines Ventils, das angesteuert werden kann den Strom von Flüssigkeit an einem Einlass und/oder an einem Auslass des Fluidkanals zu unterbrechen. In einer zweiten Variante kann ein Ventil vorgesehen sein, das bei Ansteuerung einen Strom von Flüssigkeit von einem Bereich des Einlasses direkt in einen Bereich des Auslasses erlaubt, sodass der Strom durch den Fluidkanal versiegen kann. Ein zur impulsartigen Änderung des Volumenstroms von Flüssigkeit durch den Fluidkanal der Leistungselektronikkomponente eingesetztes Ventil ist bevorzugt dazu eingerichtet, schnell zu öffnen oder zu schließen, um einen Fluidstoß zu bewirken. Insbesondere kann das Ventil als Magnetventil ausgeführt sein.
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Die Reinigungssequenz kann eine vorbestimmte Abfolge von Maßnahmen zur Änderung des durch die Leistungselektronikkomponente fließenden Volumenstroms der Flüssigkeit umfassen. Beispielsweise kann die Fließrichtung nach einem vorbestimmten zeitlichen Muster geändert werden. Außerdem kann der Volumenstrom in seinem Betrag verändert werden. Der Fluss von Flüssigkeit durch den Fluidkanal kann nach einem vorbestimmten Ablauf unterbrochen und ermöglicht werden. Es können verschiedene Sequenzen vorbestimmt sein, die in Abhängigkeit unterschiedlicher, jeweils vorbestimmter Betriebszustände der Leistungselektronikkomponente abgearbeitet werden können. Unter vorbestimmten Bedingungen kann eine erste Sequenz gesteuert werden, die beispielsweise jedes dritte, fünfte oder zehnte Mal durch eine andere, insbesondere längere oder stärkere zweite Sequenz ersetzt werden kann.
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Der vorbestimmte Betriebszustand kann erfasst werden, wenn eine Temperatur im Bereich der Leistungselektronikkomponente nicht auf eine vorbestimmte Weise mit einem durch die Leistungselektronikkomponente fließenden elektrischen Strom korreliert. Wird das Kühlsystem zu einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit angesteuert und weist die in den Fluidkanal einströmende Flüssigkeit eine vorbestimmte Temperatur auf, so sollte im Bereich der Leistungselektronikkomponente umgesetzte Wärme so abtransportiert werden, dass eine Temperatur der Leistungselektronikkomponente einen vorbestimmten Schwellenwert nicht übersteigt. Ist dies nicht der Fall, so kann darauf geschlossen werden, dass der angesteuerte Volumenstrom nicht durch den Fluidkanal strömt oder dass eine innere Oberfläche des Fluidkanals mit thermisch schlecht leitfähigen Ablagerungen überzogen ist. Eine hierin beschriebene Reinigungssequenz kann helfen, die Fließfähigkeit von Flüssigkeit durch den Fluidkanal der Leistungselektronikkomponente wiederherzustellen.
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Alternativ oder zusätzlich kann als vorbestimmter Betriebszustand der Leistungselektronikkomponente das Überschreiten der Leistungsaufnahme einer Pumpe verwendet werden. Der Betriebszustand der Leistungselektronikkomponente kann also nicht nur an dieser selbst erfasst werden. Bei Verwendung mehrerer Bedingungen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass sie alle gleichzeitig erfüllt sein müssen, um die Durchführung der Reinigungssequenz vorzunehmen.
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Die Leistungselektronikkomponente kann Teil einer Steuerung eines elektrischen Motors an Bord eines Kraftfahrzeugs sein. Dabei kann der Motor eine Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs umfassen. Der Betriebszustand der Leistungselektronikkomponente kann in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Kraftfahrzeugs bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Reinigungssequenz gesteuert werden, wenn der Betriebszustand des Kraftfahrzeugs dessen gefahrlose Durchführung erlaubt. So kann die Sequenz etwa ausgeführt werden, wenn das Kraftfahrzeug angehalten oder abgestellt wird. Auch eine Ausführung in vorbestimmten Zeitabständen oder nach einer vorbestimmten Fahrleistung des Fahrzeugs ist möglich. Die Reinigungssequenz kann allgemein dann bewirkt werden, wenn von einer hohen in der Leistungselektronikkomponente umzusetzenden elektrischen Leistung nicht auszugehen ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein elektrischer Energiespeicher, dessen Energie die Leistungselektronikkomponente steuert, erschöpft ist oder im abgestellten Fahrzeug aufgeladen wird.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Steuerung eines Kühlsystems für eine Leistungselektronikkomponente, wobei das Kühlsystem dazu eingerichtet ist, einen Strom von Flüssigkeit durch einen Fluidkanal der Leistungselektronikkomponente bereitzustellen, eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung eines vorbestimmten Betriebszustands der Leistungselektronikkomponente; und ein hydraulisches Element zur Steuerung eines durch die Leistungselektronikkomponente fließenden Volumenstroms der Flüssigkeit. Dabei ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, das Element in einer Reinigungssequenz dazu anzusteuern, den Volumenstrom zu ändern, um den Fluidkanal von einem möglichen Fremdkörper oder einer Ablagerung zu befreien.
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Vorteilhafterweise kann die Leistungselektronikkomponente als Halbleiterschalter ausgebildet sein oder einen Halbleiterschalter umfassen. In einer ersten Ausgestaltung ist ein Halbleiterschalter als physikalischer Schalter ausgebildet. Das heißt, dass ein einziger Schalter mit pnp- oder npn-Übergängen vorhanden ist. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Halbleiterschalter als Halbleiterschalterpackage ausgebildet sein. Dann sind mehrere physikalische Schalter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann der Halbleiterschalter als topologischer Schalter ausgebildet sein. Dann kann der Halbleiterschalter mehrere physikalische Schalter oder mehrere Halbleiterschalterpackages aufweisen.
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Vorteilhafterweise kann die Leistungselektronikkomponente ausschließlich Halbleiterschalter aufweisen.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein hierin beschriebenes Verfahren teilweise oder ganz auszuführen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auch auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert sein. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Vorrichtung übertragen werden oder umgekehrt.
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Das hydraulische Element kann auf verschiedene Weisen ausgebildet sein. In einer ersten Ausführungsform umfasst es ein Sperrventil zur Unterbrechung eines durch den Fluidkanal fließenden Volumenstroms. In einer zweiten Ausführungsform umfasst es ein Bypassventil zum direkten Verbinden eines Einlasses mit einem Auslass des Fluidkanals oder eines vom Auslass stromabwärtigen Element des Kühlsystems. In einer dritten Ausführungsform umfasst das hydraulische Element ein Umkehrventil zur Umkehrung des durch den Fluidkanal fließenden Volumenstroms. In einer vierten Ausführungsform kann eine Pumpe zur Bereitstellung eines Volumenstroms von Flüssigkeit durch den Fluidkanal vom hydraulischen Element umfasst sein. In einer fünften Ausführungsform umfasst das hydraulische Element eine aktive Einrichtung zur Bereitstellung eines Strömungspulses, beispielsweise in Form einer Pumpe oder eines Hydraulikzylinders, dessen Kolben mittels eines Antriebs bewegt werden kann. Andere hydraulische Elemente sind ebenfalls vorstellbar.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kühlsystem einen Druckspeicher, der insbesondere im Bereich der Leistungselektronikkomponente vorgesehen sein kann. In Verbindung mit einem hierin beschriebenen hydraulischen Element zur Veränderung des Volumenstroms kann der Druckspeicher dazu genutzt werden, einen Joukowsky-Stoß im Bereich des Fluidkanals aufzufangen und so von einem anderen Bereich des Kühlsystems fernzuhalten. Der Druckspeicher kann auch dazu eingesetzt werden, einen Druckimpuls von Flüssigkeit durch den Fluidkanal zu bewirken. Dazu kann unter Druck stehende Flüssigkeit aus dem Druckspeicher in den Fluidkanal abgelassen werden. Bevorzugt ist ein weiteres Ventil vorgesehen, um gleichzeitig einen Gegendruck zu verringern, wenn die Flüssigkeit wieder aus dem Fluidkanal austritt. Beispielsweise kann die Flüssigkeit hier in einen weiteren Druckspeicher eingelassen werden, der zuvor bevorzugt drucklos oder druckarm gemacht wurde.
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Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kühlsystem einen Kühlkreislauf mit einer Pumpe, die dazu eingerichtet ist, einen Strom von Flüssigkeit im Kühlkreislauf bereitzustellen; einen im Kühlkreislauf liegenden Wärmetauscher zur Ableitung von Wärme aus der Flüssigkeit; eine Leistungselektronikkomponente mit einem im Kühlkreislauf liegenden Fluidkanal; und eine hierin beschriebene Vorrichtung.
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Nach einem weiteren Aspekt umfasst ein elektrischer Achsantrieb für ein Fahrzeug wenigstens eine elektrische Maschine, ein Getriebe zur Übersetzung des durch die elektrische Maschine abgegebenen Drehmoments, einen Stromrichter zur Stromversorgung einer wenigsten einen elektrischen Maschine und ein Kühlsystem.
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Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fahrzeug eine hierin beschriebene Vorrichtung oder ein hierin beschriebenes Kühlsystem. Die Leistungselektronikkomponente ist bevorzugt dazu eingerichtet, einen elektrischen Strom durch eine elektrische Maschine bereitzustellen. Die elektrische Maschine kann einen Antriebsmotor des Fahrzeugs umfassen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Kühlsystem an Bord eines Fahrzeugs;
- 2 ein Schaltbild einer Halbbrücke;
- 3 Ansichten einer beispielhaften Leistungselektronikkomponente; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens darstellt.
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1 zeigt ein Kühlsystem 100 an Bord eines Fahrzeugs 105. Das Fahrzeug 105 ist exemplarisch als Personenkraftwagen dargestellt, in anderen Ausführungsformen kann auch beispielsweise ein Kraftrad oder ein Nutzfahrzeug wie ein Lastkraftwagen, eine Landmaschine oder ein Omnibus umfasst sein. In 1 sind Leitungen des Kühlsystems 100 zum leichteren Verständnis mit breiten Linien dargestellt, Stromleitungen und Steuerleitungen mit schmalen Linien.
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An Bord des Fahrzeugs 105 ist weiter exemplarisch ein elektrischer Antriebsstrang 110 vorgesehen, der einen Energiespeicher 115, einen Stromrichter 120 und eine elektrische Maschine 125 umfasst. Bevorzugt ist die elektrische Maschine 125 zum Antrieb des Fahrzeugs 105 eingerichtet. Eine weitere Antriebsmaschine für das Fahrzeug 105, insbesondere eine Brennkraftmaschine, kann ebenfalls vorgesehen sein. Der Energiespeicher 115 stellt einen Gleichstrom (DC) zur Verfügung, der mittels des Stromrichters 120 in einen oder mehrere passende Wechselströme für die elektrische Maschine 125 umgewandelt werden kann. Dabei am Stromrichter 120 anfallende Wärme kann mittels des Kühlsystems 100 abtransportiert werden. Dazu umfasst der Stromrichter 120 bevorzugt einen Fluidkanal 130, der von Flüssigkeit des Kühlsystems 100 durchströmt werden kann.
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Das Kühlsystem 100 umfasst eine Pumpe 135, bevorzugt einen Filter 140, sowie einen Wärmetauscher 145. Mittels Leitungen 150 ist eine Flüssigkeit 155 abgeschlossen. Vorliegend führen Leitungen 150 von der Pumpe 135 zum Filter 140, von dort zu einem hydraulischen Element 160, weiter zum Wärmetauscher 145 und wieder zurück zur Pumpe 135, sodass bevorzugt ein Kreislauf gebildet ist. Eine Reihenfolge der genannten Elemente im Kreislauf kann auch variiert sein, insbesondere kann der Filter 140 auch an einer anderen Stelle vorgesehen sein.
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Die Pumpe 135 kann steuerbar sein, um einen Volumenstrom und/oder eine Strömungsrichtung der Flüssigkeit 155 in den Leitungen 150 zu ändern. Dazu kann die Pumpe 135 eine Verdrängerpumpe umfassen, beispielsweise eine Zahnradpumpe oder eine Eatonpumpe, die bevorzugt mittels eines Elektromotors angetrieben wird. Eine Drehzahl und eine Drehrichtung des Elektromotors können zu einem Volumenstrom bzw. einer Förderrichtung der Pumpe 135 korrespondieren.
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Der Filter 140 kann beispielsweise einen Papierfilter, ein Sieb oder eine Filterpatrone umfassen. Der Wärmetauscher 145 ist dazu eingerichtet, Wärme der Flüssigkeit 155 an ein anderes Medium abzugeben, üblicherweise an eine Umgebungsluft. Zur Steuerung eines Stroms von Luft am Wärmetauscher 145 kann ein Ventilator vorgesehen sein.
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Das hydraulische Element 160 ist dazu eingerichtet, einen Strom von relativ kühler Flüssigkeit 155 in den Fluidkanal 130 zu leiten und einen aus dem Fluidkanal 130 austretenden Strom von erwärmter Flüssigkeit 155 weiter in Richtung des Wärmetauschers 145 zu leiten. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann das hydraulische Element 160 statisch oder steuerbar sein. In einer einfachsten Ausführungsform umfasst das hydraulische Element 160 lediglich zwei Verbindungsleitungen für Flüssigkeit 155 des Kühlsystems 100.
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Das hydraulische Element 160 kann dazu angesteuert werden, die Strömung der Flüssigkeit 155 zu verändern. Insbesondere kann das hydraulische Element 160 ein Sperrventil umfassen, um den Strom von Flüssigkeit 155 durch den Fluidkanal 130 zu unterbrechen, oder ein Bypassventil, um die Flüssigkeit 155 um den Fluidkanal 130 herum zu leiten. Das hydraulische Element 160 kann auch ein Wechselventil umfassen, um eine Strömungsrichtung von Flüssigkeit 155 durch den Fluidkanal 130 umzukehren. Üblicherweise ist ein solches Ventil als Magnetventil ausgeführt, um eine hohe Steuergeschwindigkeit zu realisieren.
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Optional ist am Kühlsystem 100 ein Druckspeicher 165 vorgesehen, der im Bereich des hydraulischen Elements 160 angebracht sein kann. Der Druckspeicher 165 kann dazu verwendet werden, einen Druckimpuls von Flüssigkeit 155 in den Fluidkanal 130 bereitzustellen oder einen Druckimpuls von Flüssigkeit 155 im Bereich des Fluidkanals 130 aufzufangen. Es können auch mehrere Druckspeicher 165 vorgesehen sein.
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Das hydraulische Element 160 ist Teil einer Vorrichtung 170, die ferner eine Verarbeitungseinrichtung 175 sowie optional eine Schnittstelle 180 umfassen kann.
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Die Verarbeitungseinrichtung 175 ist dazu eingerichtet, eine Reinigungssequenz im Kühlsystem 100 zu steuern, um den Fluidkanal 130 von einem möglichen Fremdkörper oder einer Ablagerung zu befreien, indem die Reinigungssequenz eine Änderung eines durch den Fluidkanal 130 fließenden Volumenstroms der Flüssigkeit 155 umfasst. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung außer dem hydraulischen Element 160 auch die Pumpe 135 beziehungsweise einen sie antreibenden Elektromotor steuern.
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Die Schnittstelle 180 kann mit einem Sensor oder einer Einrichtung des Stromrichters 120, des Kühlsystems 100 oder des Fahrzeugs 105 verbunden sein. Über die Schnittstelle 180 erfasste Informationen können ausgewertet werden, um einen Betriebszustand zu bestimmen, der eine Reinigung des Fluidkanals 130 erfordert oder begünstigt. Der Betriebszustand kann das Fahrzeug 105, das Kühlsystem 100 oder den Antriebsstrang 110 betreffen.
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2 zeigt ein Schaltbild einer Halbbrücke 200, wie sie zur Steuerung einer elektrischen Maschine 125 eingesetzt werden kann. Die Halbbrücke 200 umfasst zwei Stromventile 205, die üblicherweise jeweils als Halbleiter realisiert sind, beispielsweise als Bipolar- oder Feldeffekt-Transistor. Ein oben dargestelltes Stromventil 205 (High Side Switch) kann dazu angesteuert werden, ein hohes elektrisches Potential (DC+) des Energiespeichers 115 mit einem Anschluss (AC) bzw. einer Phase der Maschine 125 zu verbinden, und ein unten dargestelltes Stromventil 205 (Low Side Switch) kann dazu angesteuert werden, den Anschluss (AC) mit einem niedrigen Potential (DC-) des Energiespeichers 115 zu verbinden. Steueranschlüsse der Stromventile 205 weisen in 2 nach rechts.
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Die Stromventile 205 werden mit hoher Frequenz abwechselnd geöffnet und geschlossen, sodass sich am Anschluss der elektrischen Maschine 125 eine vorbestimmte Spannung einstellt, deren Wert von einem Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeiten der Stromventile 205 abhängig ist. Diese Spannung kann so gesteuert werden, dass sie im Wesentlichen sinusförmig verläuft und eine vorbestimmte Spannung und eine vorbestimmte Frequenz aufweist. Zur Steuerung einer elektrischen Maschine 125 sind üblicherweise drei Spannungen erforderlich, die um vorbestimmte Winkel zueinander phasenverschoben sind. Dementsprechend umfasst der Stromrichter 125 üblicherweise drei Halbbrücken 200 und entsprechende Ansteuerungen für insgesamt sechs Stromventile 205.
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3 zeigt Ansichten einer beispielhaften Leistungselektronikkomponente 300, die wenigstens eine Halbbrücke 200 oder wenigstens ein als Halbleiter realisiertes Stromventil 205 umfasst. In einem linken Bereich ist eine Unterseite und in einem rechten Bereich eine Oberseite der Leistungselektronikkomponente 300 dem Betrachter zugewandt. In einem unteren Bereich der Leistungselektronikkomponente 300 sind elektrische Anschlüsse zur Verbindung mit dem hohen Potential (DC+), dem niedrigen Potential (DC-) und dem Anschluss der elektrischen Maschine 125 (AC) zu sehen. In einem oberen Bereich sind elektrische Steueranschlüsse 305 dargestellt, die mit passenden Signalen angesteuert werden können, um ein Stromventil 205 zu öffnen oder zu schließen. Weitere, optionale Anschlüsse in diesem Bereich können zur Bereitstellung von Kontrollsignalen vorgesehen sein, beispielsweise für ein Stromsignal oder ein Temperatursignal.
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In der rechten Darstellung ist ein Deckel der Leistungselektronikkomponente 300 abgenommen, sodass der Fluidkanal 130 erkennbar ist. Der Fluidkanal 130 erstreckt sich zwischen einem Einlass 310 und einem Auslass 315 und umfasst beispielhaft mehrere parallele Wege für die Flüssigkeit 155. Die Wege sind als Mäander ausgeführt, sodass die Flüssigkeit 155 über eine große Oberfläche der Leistungselektronikkomponente 300 geführt werden kann.
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Durch die aufwändige Führung der Flüssigkeit 155 im Fluidkanal 130 kann dieser jedoch anfällig für eine Verstopfung sein, beispielsweise durch eine Ansammlung von Ablagerungen oder Fremdkörpern an einer Stelle. Fremdkörper können beispielsweise durch Abrieb an einem bewegten Bauteil im Kühlsystem 100 entstehen. So können etwa Metallspäne oder Metallflocken an der Pumpe 135 abgelöst werden. Eine innere Oberfläche einer Leitung 150 kann korrodieren und die Korrosion kann sich ablösen. Ein Bestandteil der Flüssigkeit 155 kann ausfällen, beispielsweise, wenn sie zu lange verwendet oder überhitzt wird. Der Filter 140 kann bei zu langer Verwendung verstopfen, sodass ein Bypass-Ventil ungereinigte Flüssigkeit 155 passieren lassen kann.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Steuern eines Kühlsystems 100. In einem Schritt 405 befindet sich das Kühlsystem 100 in einem Normalbetrieb. Dabei kann ein Volumenstrom von Flüssigkeit 155 durch den Fluidkanal 130 konstant sein oder beispielsweise in Abhängigkeit einer Temperatur im Bereich einer Leistungselektronikkomponente 300 gesteuert werden. Die elektrische Maschine 125 kann zur Bereitstellung eines Drehmoments angesteuert werden, insbesondere um das Fahrzeug 105 anzutreiben.
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In einem Schritt 410 kann ein Betriebszustand der Leistungselektronikkomponente 300, des Stromrichters 120, des Kühlsystems 100 und/oder des Fahrzeugs 105 bestimmt werden. Der Betriebszustand kann analysiert werden, um zu bestimmen, ob eine Reinigungssequenz zur vorbeugenden oder korrigierenden Reinigung des Fluidkanals 130 erforderlich ist. Es kann auch bestimmt werden, ob die Durchführung der Reinigungssequenz möglich ist, ohne einen Betrieb der Leistungselektronikkomponente 300 oder des Fahrzeugs 105 einzuschränken, zu gefährden oder anders negativ zu beeinflussen. Ist eine Reinigungssequenz nicht indiziert oder nicht ohne negative Beeinflussung eines umgebenden Systems möglich, so kann zum Schritt 405 zurückgekehrt werden.
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Eine Reinigungssequenz kann beispielsweise gesteuert werden, wenn die erfassten Informationen darauf hinweisen, dass eine Verstopfung im Bereich des Fluidkanals 130 vorliegt. Die Reinigungssequenz kann auch vorbeugend gesteuert werden, beispielsweise zeitgesteuert, wenn die elektrische Maschine 125 abgeschaltet wird oder wenn das Fahrzeug 100 angehalten oder abgestellt wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die Notwendigkeit der Durchführung einer Reinigungssequenz zu einem beliebigen Zeitpunkt bestimmt, aber erst zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführt werden, wenn keine negative Beeinflussung des Betriebs zu erwarten ist.
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Die Reinigungssequenz kann mehrere verschiedene Maßnahmen umfassen, die einzeln oder gemeinsam aktiviert werden können. Weiter bevorzugt wird eine vorbestimmte zeitliche Abfolge verschiedener Maßnahmen gesteuert. Ziel der Maßnahmen ist stets, einen Fremdkörper oder eine Ablagerung aus dem Bereich des Fluidkanals 130 zu lösen und mit der Flüssigkeit 155 im Kühlsystem 100 fortzuspülen. Eine abgelöste Masse kann später im Filter 140 gebunden oder zurückgehalten werden.
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In einem Schritt 415 kann als erste beispielhafte Maßnahme ein hydraulischer Impuls im Bereich des Fluidkanals 130 bewirkt werden. Dazu kann eine Förderleistung der Pumpe 135 möglichst impulsartig verändert werden. Bei laufender Pumpe 135 kann ein Sperrventil angesteuert werden, um einen Fluss von Flüssigkeit 155 durch den Fluidkanal 130 temporär zu unterbrechen. Ein Bypassventil kann angesteuert werden, um den Strom von Flüssigkeit 155 um den Fluidkanal 130 herum zu leiten. Der hydraulische Impuls kann auch mittels eines entsprechenden Impulsgenerators herbeigeführt werden. Das Unterbrechen und anschließende Freigeben kann mehrfach hintereinander durchgeführt werden. Eine Frequenz der Unterbrechungen kann vorbestimmt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann ein Druckspeicher 165 zunächst durch die Pumpe 135 mit Flüssigkeit 155 beaufschlagt werden, die unter einem vorbestimmten Druck steht. Der gefüllte Druckspeicher 165 kann mittels eines Ventils von der Pumpe 135 getrennt werden. Der Auslass 315 des Fluidkanals 130 kann druckarm oder drucklos gemacht werden, beispielsweise indem die Pumpe 135 Flüssigkeit 155 aus dem Auslass 315 ansaugt. Optional ist am Auslass 315 ein weiterer Druckspeicher 165 vorgesehen. Dann kann der unter Druck stehende erste Druckspeicher 165 möglichst impulsartig in den Fluidkanal 130 eingelassen werden. Dieser Vorgang kann auch in entgegengesetzter Richtung durchgeführt werden, um den Fluidkanal 130 vom Auslass 315 in Richtung des Einlasses 310 zu spülen.
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In einem Schritt 420 kann als zweite beispielhafte Maßnahme eine Fließrichtung von Flüssigkeit 155 durch den Fluidkanal 130 umgekehrt werden. Dazu kann die Pumpe 135 dazu angesteuert werden, die Flüssigkeit 155 in umgekehrter Richtung zu fördern. Alternativ kann ein Ventil vorgesehen sein, um die Umkehrung des Fluidstroms durch den Fluidkanal 130 zu bewirken.
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In einem Schritt 425 kann als dritte beispielhafte Maßnahme eine Strömungsgeschwindigkeit oder ein Volumenstrom von Flüssigkeit 155 durch den Fluidkanal 130 verändert werden. Auch hier erfolgt die Variation bevorzugt möglichst impulsförmig. Die Variation kann durch Ansteuerung der Pumpe 135 oder Einsatz eines Ventils gesteuert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Pumpe 135 dazu angesteuert werden, einen wesentlich größeren Volumenstrom von Flüssigkeit 155 bereitzustellen, als dies im Normalbetrieb der Fall ist.
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In einem Schritt 430 kann bestimmt werden, ob die Reinigungssequenz beendet ist. Dazu kann bestimmt werden, ob die vorbestimmte Sequenz von Maßnahmen 415 bis 425 vollständig ausgeführt wurde. Optional kann ein Aspekt des Betriebszustands 410 ausgewertet werden, um das Ende zu bestimmen. Ist die Sequenz noch nicht beendet, so können Schritte 410 bis 425 erneut ausgeführt werden. Andernfalls kann das Verfahren 400 zum Schritt 405 zurückkehren, in welchem das Kühlsystem 100 im Normalbetrieb gesteuert werden kann. Sollte die Reinigungssequenz am Ende eines Betriebszyklus des Fahrzeugs 105 ausgeführt werden, so kann das Kühlsystem 100 im Schritt 405 auch abgeschaltet werden.
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Bezugszeichen
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- 100
- System
- 105
- Fahrzeug
- 110
- elektrischer Antriebsstrang
- 115
- Energiespeicher
- 120
- Stromrichter
- 125
- elektrische Maschine
- 130
- Fluidkanal
- 135
- Pumpe
- 140
- Filter
- 145
- Wärmetauscher
- 150
- Leitung
- 155
- Flüssigkeit
- 160
- hydraulisches Element
- 165
- Druckspeicher
- 170
- Vorrichtung
- 175
- Verarbeitungseinrichtung
- 180
- Schnittstelle
- 200
- Halbbrücke
- 205
- Stromventil
- 300
- Leistungselektronikkomponente
- 310
- Einlass
- 315
- Auslass
- 400
- Verfahren
- 405
- Normalbetrieb
- 410
- Betriebszustand erfassen
- 415
- hydraulischen Impuls bereitstellen
- 420
- Fließrichtung umkehren
- 420
- Strömungsgeschwindigkeit variieren
- 430
- Sequenz beendet?
