DE102005003881A1

DE102005003881A1 - Verfahren zur Kühlung einer elektrischen Maschine und/oder dieser zugeordneten elektronischen Bauelementen in einem Kraftfahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102005003881A1
Application number: DE102005003881A
Authority: DE
Inventors: Matthias Holz; Michael Dr. Zillmer; Ekkehard Dr. Pott; David Prochazka
Original assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Current assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kühlung von zumindest einer elektrischen Maschine (14) und/oder von der zumindest einen elektrischen Maschine (14) zugeordneten elektronischen Bauelementen (24, 34) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs, in welchem ein Verbrennungmotor (12) sowie die zumindest eine elektrische Maschine (14) eine Fahrzeugantriebseinheit (10) ausbilden, wobei zumindest ein Kühlkreisluaf (42) die zumindest eine elektrische Maschine (14) und/oder die elektronischen Bauelemente (24, 34) einschließt und ein Kühlmittel mittels einer elektrischen Kühlmittelpumpe (60) durch den Kühlkreislauf (42) gefördert wird.
Es ist vorgesehen, dass eine elektrische Leistungsaufnahme der elektrischen Kühlmittelpumpe (60) in Abhängigkeit von zumindest einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine (14) und/oder der elektronischen Bauelemente (24, 34) gesteuert oder geregelt wird. Insbesondere werden auch in Stoppphasen des Verbrennungsmotors (12) die relevanten Bauteiletemperaturen der elektrischen Antriebseinheit (48) überwacht und gegebenenfalls eine Ansteuerung der elektrischen Kühlmittelpumpe (60) zur Kühlung vorgenommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kühlung von zumindest einer elektrischen Maschine und/oder von der zumindest einen elektrischen Maschine zugeordneten elektronischen Bauelementen eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs, in welchem ein Verbrennungsmotor sowie die zumindest eine elektrische Maschine eine Fahrzeugantriebseinheit ausbilden. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens befähigtes Kraftfahrzeug.
Elektrischen Maschinen kommt in heutigen Kraftfahrzeugen eine vielfältige und wachsende Bedeutung zu. Sie können etwa in Hybridfahrzeugen zusammen mit einem Verbrennungsmotor eine Hybridantriebseinheit ausbilden oder allein in Elektrofahrzeugen dem Fahrzeugantrieb dienen. Zudem können sie neben dem Fahrzeugantrieb oder alternativ zu diesem die Funktion eines Startergenerators, insbesondere eines integrierten Starters, zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine oder andere Funktionen haben.
In Hybridfahrzeugen werden im Wesentlichen serielle oder parallele Hybridkonzepte unterschieden, wobei auch Mischformen bekannt sind. Bei den seriellen Hybridkonzepten erfolgt der Fahrzeugantrieb ausschließlich über die elektrische Maschine, während der Verbrennungsmotor über einen separaten Generator den elektrischen Strom für die Aufladung eines, die E-Maschine speisenden Energiespeichers beziehungsweise für die direkte Speisung der E-Maschine erzeugt. Demgegenüber werden heute in PKW-Anwendungen häufig Hybridkonzepte eingesetzt, bei denen der Fahrzeugantrieb sowohl für den Verbrennungsmotor als auch durch die E-Maschine dargestellt werden kann. In Parallelkonzepten wird grundsätzlich angestrebt, die Verbrennungskraftmaschine vorwiegend in wirkungsgradgünstigen Betriebssituationen zu betreiben. Die eingesetzten elektrischen Maschinen lassen sich hierbei wahlweise motorisch oder generatorisch betreiben. So wird etwa die E-Maschine im motorischen Betrieb typischerweise in Betriebspunkten mit höheren Fahrzeuglasten unterstützend zum Verbrennungsmotor zugeschaltet. Zudem kann sie die Funktion eines Startermotors für den Verbrennungsmotor übernehmen. Demgegenüber wird die E-Maschine im verbrennungsmotorischen Fahrantrieb überwiegend generatorisch betrieben, wobei eine so erzeugte elektrische Leistung der E-Maschine beispielsweise zur Aufladung des Energiespeichers und/oder zur Versorgung eines elektrischen Bordnetzes genutzt wird. Im Falle eines leistungsverzweigten Hybridkonzepts mit mehr als einer E-Maschine kann der generatorische Betrieb einer E-Maschine auch zur Speisung einer weiteren genutzt werden. Ferner wird in der Regel zumindest ein Teil einer Bremsleistung durch die generatorisch gefahrene E-Maschine aufgebracht (Rekuperation), wobei ein Teil der mechanischen Verlustenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei ist in Hybridkonzepten generell von Vorteil, dass die E-Maschinen gegenüber konventionellen Klauenpolgeneratoren mit besseren Wirkungsgraden arbeiten.
Die einzelnen Bauelemente der einer elektrischen Antriebseinheit umfassen die elektrische Maschine selbst, Wechselrichter, Energiespeicher (insbesondere Kondensatorspeicher) und dergleichen. Infolge ihrer hohen umgesetzten elektrischen Leistung und der daraus resultierenden Wärmeentwicklung weisen diese Komponenten einen erhöhten Kühlungsbedarf auf. Zur Realisierung der Kühlung der Bauelemente werden vorwiegend massive Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer eingesetzt, die mit den Bauelementen in Kontakt stehen. Die Wärmeabfuhr erfolgt über ein flüssiges Kühlmittel, welches durch in den Kühlkörpern vorhandene Bohrungen geleitet wird. Alternativ dazu ist insbesondere für die Kühlung von Elektronikbauteilen die Siedebadkühlung bekannt. Hierfür wird die Wärme durch Verdampfung einer (elektrisch nicht leitenden) Flüssigkeit abgeführt, die in direktem Kontakt zu dem jeweiligen Bauteil steht. Die verdampfte Flüssigkeit wird dann über angeschlossene Wärmetauscher wieder gekühlt und kondensiert, wobei die Wärme über ein Kühlmittel aus dem System abgeführt wird. In jedem Fall erfolgt letztendlich die Abführung der elektrischen Verlustwärme über einen internen Motorkühlkreislauf des Verbrennungsmotors oder einem separaten Niedrigtemperaturkreislauf, wofür das Kühlmittel (Kühlwasser) durch die Kühlkörper beziehungsweise Wärmetauscher (Siedebadkühlung) geleitet wird. Im Allgemeinen wird lediglich ein Teilstrom des Motorkühlkreislaufs zur Kühlung der Leistungselektronik eingesetzt.
Zur Förderung des Kühlmittels durch den oder die Kühlkreisläufe werden entweder mechanisch oder elektrisch angetriebene Förderpumpen (Kühlwasserpumpen) eingesetzt. Problematisch bei der Verwendung mechanisch durch den Verbrennungsmotor angetriebener Förderpumpen ist bei Hybridfahrzeugen, dass eine Bewegung des Kühlmediums und somit die Wärmeabfuhr aus dem System nur so lange erfolgt, wie der Verbrennungsmotor in Betrieb ist. Wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet, wie es bei Hybridfahrzeugen im Allgemeinen in Stillstandsphasen (zum Beispiel bei Ampelstopps) oder Schubphasen (bei Fahrzeugverzögerung) der Fall sein kann, erfolgt keine weitere Durchströmung der einzelnen Bauelemente der Leistungselektronik. Weiterhin erfolgt auch nach einem Abstellen des Fahrzeuges keine weitere Kühlung, die durch Nachheizvorgänge eventuell erforderlich sein kann. Bei Einsatz einer elektrischen Förderpumpe besteht das Erfordernis, einen Kompromiss zwischen dem hohen erforderlichen Massenstrom zur Motorkühlung einerseits und einem optimalen Druckverlust zur Kühlung der Leistungselektronik bei ausgestelltem Motor andererseits zu finden, da die letzteren deutlich geringere Massenströme erfordern als die Motorkühlung. Hierzu ist bekannt, die elektrische Pumpe durch eine entsprechende Pulsweitenmodulation zu steuern (PWM-Steuerung). Durch die mehrfache Energieumwandlung ist der Betrieb der elektrischen Förderpumpe jedoch mit einigen Nachteilen gegenüber den mechanischen Ausführungen verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Kühlung der Komponenten einer elektrischen Antriebseinheit von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Hybridfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen, das die Effizienz elektrisch betriebener Förderpumpen verbessert und gleichzeitig die Lebensdauer der Pumpe verlängert. Dabei soll stets eine ausreichende Kühlleistung der elektrischen Antriebseinheit gewährleistet sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass (insbesondere auch nach einem Stopp des Verbrennungsmotors) eine elektrische Leistungsaufnahme der zumindest einen elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von zumindest einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine und/oder der elektronischen Bauelemente, wie Leistungselektronik, Pulswechselrichter, Wandler, Energiespeicher und/oder dergleichen, welche der elektrischen Maschine zugeordnet sind, gesteuert oder geregelt wird, erfolgt ein bedarfsgerechter Einsatz der Pumpe in Abstimmung mit dem tatsächlichen Kühlerfordernis des elektrischen Antriebs. Indem die elektrische Kühlmittelpumpe nur dann, nur so intensiv und nur so lange betrieben wird, wie ein Kühlbedarf besteht, kann die Lebensdauer der Pumpe signifikant verlängert werden und gleichzeitig der elektrische Energiebedarf zum Betrieb der Pumpe reduziert werden. Zugleich wird stets auch nach Abstellen des Verbrennungsmotors eine ausreichende Kühlung der elektrischen Maschine sowie der dieser zugeordneten elektronischen Komponenten gewährleistet.

Zur Ermittlung des Kühlbedarfs der elektrischen Antriebseinheit muss zumindest eine Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine und/oder der weiteren elektronischen Bauelemente ermittelt werden. Dies erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung durch Temperaturmessung mittels Anordnung von einem oder mehreren Temperatursensoren an den entsprechenden Bauteilen. Alternativ kann die Temperatur auch über in der Motorsteuerung abgespeicherte, empirische und/oder mathematische Modelle auf Basis geeigneter Bezugsparameter ermittelt werden. Geeignete Bezugsparameter sind beispielsweise eine gemessene Motor- oder Kühlmitteltemperatur und/oder eine zuvor durchgesetzte elektrische Leistung der verschiedenen Bauelemente und/oder eine vorausgegangene Charakteristik einer Fahrpedalbedienung durch den Fahrer, die ebenfalls eine Bezugsgröße für die durchgesetzte Leistung bereitstellt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine untere Temperaturschwelle vorgegeben. Unterschreitet (insbesondere bei ausgestelltem Verbrennungsmotor) die Temperatur der E-Maschine und/oder der elektronischen Bauelemente diese untere Temperaturschwelle, wird auf eine aktive Kühlung entweder gänzlich verzichtet und die Kühlmittelpumpe somit nicht betrieben. Alternativ kann in diesem Fall die Kühlmittelpumpe mit einer minimalen Leistungsaufnahme betrieben werden, um einen Minimal-Volumenstrom zur Kühlung der Komponenten aufrechtzuerhalten, wodurch örtliche Dampfblasenbildungen in der Kühlstrecke vermieden werden.

Weiterhin ist vorgesehen, bei Überschreiten der unteren Temperaturschwelle die Kühlmittelpumpe mit einer Leistungsaufnahme zu betreiben, die mit der erfassten Temperatur der elektrischen Maschine und/oder elektronischen Bauelemente zunimmt. Hier können beispielsweise ein abgestufter Verlauf der Leistungsaufnahme mit zunehmender Bauteiletemperatur, ein linearer Zusammenhang zwischen Leistungsaufnahme und Temperatur oder auch anders geartete Zusammenhänge vorgesehen sein.

Zudem kann nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor und/oder in einer Abstellphase des Fahrzeugs das erfindungsgemäße Verfahren für eine applizierbare Zeitspanne fortzusetzen, das heißt die Temperaturüberwachung weiterzuführen und nur bei Überschreiten einer unteren Temperaturschwelle eine aktive Kühlung der Bauteile der elektrischen Antriebseinheit durchzuführen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das durch Mittel gekennzeichnet ist, mit denen in Abhängigkeit von zumindest einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine und/oder der dieser zugeordneten elektronischen Bauelemente eine elektrische Leistungsaufnahme der zumindest einen Kühlmittelpumpe gesteuert oder geregelt wird. Die Mittel umfassen insbesondere eine Steuerlogik zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die insbesondere in einer Motorsteuerung hinterlegt sein kann.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau einer Hybridantriebseinheit und
2 schematisch den Aufbau eines Kühlsystems einer Hybridantriebseinheit.
In 1 ist mit 10 insgesamt eine parallele Hybridantriebseinheit eines im Einzelnen nicht weiter dargestellten Hybridfahrzeugs bezeichnet. Der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt wahlweise oder gleichzeitig durch einen konventionellen Verbrennungsmotor 12 (Otto- oder Dieselmotor) sowie eine elektrische Maschine (E-Maschine) 14, die beide auf die gleiche Welle wirken, insbesondere auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 12. Die Anbindung der E-Maschine 14 an die Motorkurbelwelle kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann die E-Maschine 14 direkt oder über eine Kupplung mit der Kurbelwelle verbunden sein oder über einen Riemenantrieb, einen Zahnriemen, ein Getriebe oder einer anderen kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung. Verbrennungsmotor 12 und E-Maschine 14 sind über ein automatisches oder Handschalt-Getriebe 16 mit einem angedeuteten Antriebsstrang 18 verbunden. Die Entkopplung der Antriebswellen des Verbrennungsmotors 12 beziehungsweise der E-Maschine 14 vom Getriebe 16 erfolgt über eine Kupplung 20, die durch Betätigung eines nicht dargestellten Kupplungspedals durch den Fahrer geöffnet werden kann und bei Nicht-Betätigung geschlossen ist. Optional kann zudem zwischen Verbrennungsmotor 12 und E-Maschine 14 eine zusätzliche Kupplung 22 angeordnet sein, die eine separate Abkopplung des Verbrennungsmotors 12 vom Antriebsstrang 18 beziehungsweise von der E-Maschine 14 erlaubt, wodurch sich grundsätzlich der Vorteil ergibt, dass bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 12 seine mechanischen Reibungswiderstände nicht mitgeschleppt werden müssen. Diesem zusätzlichen Einsparpotential an Kraftstoff steht jedoch ein erheblicher Kosten-, Konstruktions- und Bauraumaufwand gegenüber, so dass vorliegend die zusätzliche Kupplung 22 zwar grundsätzlich denkbar, bevorzugt jedoch nicht vorgesehen ist.
Die E-Maschine 14, die beispielsweise ein Drehstrom-Asynchronmotor oder permanent erregter Synchronmotor sein kann, kann wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden. Im motorischen Betrieb treibt die E-Maschine 14 den Antriebsstrang 18 unter Verbrauch elektrischer Energie (Strom) an, die diese aus einem Energiespeicher 24 bezieht. Der Energiespeicher 24 ist bevorzugt ein Kondensatorspeicher (elektrischer Doppelschichtkondensator), da diese Speicher sehr hohe Spitzenströme liefern. Zudem weisen Kondensatorspeicher gegenüber Batterien (beispielsweise Blei-Säure-, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Batterien) deutlich höhere Ein- und Ausspeicherwirkungsgrade auf. Bevorzugt handelt es sich bei dem Kondensatorspeicher 24 um eine unter dem Handelsnamen UItraCap oder SuperCap bekannte Ausführung, die aufgrund einer ausgeprägten Oberflächenfeinstrukturierung eine besonders große Oberfläche der Kondensatorplatten und daher sehr hohe Energiedichten aufweist. Der Energiespeicher 24 kann auch ein Speichermodul aus mehreren in Serie geschalteten Kondensatoren sein oder ein kombiniertes System, bestehend aus einem Kondensatorspeicher(modul) und einer parallel geschalteten Batterie.
Im generatorischen Betrieb hingegen wird die E-Maschine 14 durch den Verbrennungsmotor 12 beziehungsweise einen Schub des Fahrzeuges betrieben und wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie zur Auffüllung des Energiespeichers 24 sowie zur Versorgung eines mit 26 angedeuteten Bordnetzes des Fahrzeugs um. Das Bordnetz 26 umfasst eine Vielzahl elektrischer Verbraucher 28 und kann optional noch eine Pufferbatterie 30, in der Regel eine übliche 12V-Fahrzeugbatterie, enthalten. Ein zwischengeschalteter DC/DC-Wandler 32 regelt die generatorisch erzeugte Energie der E-Maschine 14 auf die für das Bordnetz 26 erforderliche Spannung von 12 V herunter.
Die Umschaltung der elektrischen Maschine 14 zwischen Motor- und Generatorbetrieb erfolgt durch eine Leistungselektronik 34, die mittels eines integrierten Wechselrichters gleichzeitig eine – je nach Typ der elektrischen Maschine – möglicherweise erforderliche Umrichtung zwischen Gleich- und Wechselstrom vornimmt. Die Leistungselektronik 34 übernimmt ferner eine Drehzahl- und/oder Drehmomentregelung der E-Maschine 14 im motorischen Betrieb beziehungsweise eine Regelung der erzeugten elektrischen Leistung im generatorischen Betrieb.
Gemäß dem dargestellten Konzept erfolgt der Fahrzeugantrieb überwiegend durch den Verbrennungsmotor 12, der durch die als Startergenerator ausgelegte E-Maschine 14 gestartet wird. Die E-Maschine 14 übernimmt zudem eine Boostfunktion, indem sie in Hochlastsituationen, insbesondere bei Beschleunigungen des Fahrzeugs, unterstützend zum Fahrzeugantrieb zugeschaltet wird (motorischer Betrieb). Andererseits hat die E-Maschine 14 in Fahrsituationen, bei denen ein Überschuss kinetischer Energie des Fahrzeugs vorliegt, eine so genannte Rekuperationsfunktion, indem sie im generatorischen Betrieb die Bewegungsenergie in kinetische Energie zur Ladung des Energiespeichers 24 umwandelt und somit gleichzeitig ein Bremsmoment bereitstellt. Die E-Maschine 14 hat in so genannten Mild-Hybridfahrzeugen eine Leistung bis zu 25 kW, insbesondere im Bereich von 7 bis 20 kW, vorzugsweise von etwa 15 kW.
Die Steuerung des Betriebes des Verbrennungsmotors 12 sowie der Leistungselektronik 34 erfolgt durch ein Motorsteuergerät 36, in welches eine Steuerlogik (angedeutet mit 38) in Form eines Programmalgorithmus integriert ist, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlungssteuerung der elektrischen Maschine 14 und der dieser zugeordneten elektronischen Bauteile ausführbar ist. Alternativ kann die Steuerlogik 38 auch in einer separaten Steuereinheit vorgesehen sein.
In 2 ist ein insgesamt mit 40 bezeichnetes Kühlsystem für ein Hybridfahrzeug gemäß 1 dargestellt, wobei identische Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet sind. Das vereinfacht dargestellte Kühlsystem 40 weist einen Gesamtkühlkreislauf 42 auf, der einerseits einen den Verbrennungsmotor 12 einschließenden Motorkühlkreislauf 44 umfasst sowie andererseits einen Teilkühlkreislauf 46, welcher die insgesamt mit 48 bezeichnete elektrische Antriebseinheit einschließt. Von dieser sind hier exemplarisch, neben der elektrischen Maschine 14 der Energiespeicher (Kondensatorspeicher) 24 sowie die Leistungselektronik 34 (die den integrierten Wechselrichter enthält) dargestellt. Selbstverständlich können hier auch noch weitere elektronische Bauteile eingeschlossen sein, die der elektrischen Maschine 14 zugeordnet sind und einer Kühlung bedürfen.
Der Motorkühlkreislauf 44 umfasst gemäß der dargestellten Ausführung eine erste Kühlmittelpumpe 50, die mechanisch über den Verbrennungsmotor 12 über einen mit 52 angedeuteten Pumpenantriebstrang angetrieben wird und die Förderung eines Kühlmittels, das üblicherweise Wasser mit einem Frostschutzmittelzusatz und anderen Zusätzen ist, durch die Leitungen des Kühlkreislaufs 42 bewirkt. Im Motorkühlkreislauf 44 ist ferner ein Ausgleichsbehälter 54 für das Kühlmittel enthalten und ferner ein Kühler 56, der durch Luftkühlung die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärme abführt. Der Motorkühlkreislauf 44 entspricht herkömmlichem Aufbau und kann zusätzlich noch Komponenten für eine Ladeluftkühlung für einen Abgasturbolader oder dergleichen enthalten.
Der Teilkühlkreislauf 46 ist parallel zum Motorkühlkreislauf 44 geschaltet, wobei an den Verzweigungspunkten 58 optional steuerbare oder schaltbare Ventile angeordnet sein können. Die im Einzelnen nicht dargestellte Versorgung der einzelnen Bauteile der elektrischen Antriebseinheit 48 durch das Kühlmittel kann in paralleler oder sequentieller Führung des Leitungssystems des Teilkühlkreislaufs 46 erfolgen. Die Kühlung der elektronischen Bauelemente des Elektroantriebs 48 beziehungsweise der elektrischen Maschine 14 kann über Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer erfolgen und/oder über Siedebadkühlung. Diese Methoden sind prinzipiell bekannt und bereits einleitend erläutert worden. Der Teilkühlkreislauf 46 weist eine elektrische Kühlmittelpumpe 60 auf, die eine Kühlmittelförderung, insbesondere im Teilkühlkreislauf 46 bewirkt. Die elektrische Kühlmittelpumpe 60 wird vorzugsweise durch den Energiespeicher 24 gespeist (angedeutet mit Leitung 62). Der Betrieb der elektrischen Kühlmittelpumpe 60 erfolgt vorzugsweise durch Pulsweitenmodulations-Steuerung (PWM-Steuerung) durch die Motorsteuerung 36.
In 2 sind zudem noch beispielhaft einige Temperatursensoren 64, 66, 68, 70 dargestellt, die an unterschiedlichen Orten angeordnet sein können. Beispielsweise misst ein im Motorkühlkreislauf 44 angeordneter Temperatursensor 64 die Kühlmitteltemperatur T_KM, während ein alternativ zu diesem oder zusätzlich im Motorblock des Verbrennungsmotors 12 angebrachter Temperatursensor 66 die Motortemperatur T_M erfasst. Ein weiterer Temperatursensor 68 ist der elektrischen Maschine 14 zugeordnet und misst die Elektromotortemperatur T_EM. Zudem ist ein Temperatursensor 70 exemplarisch dem Elektroantrieb 48 zugeordnet und erfasst beispielsweise die Temperatur T_E der Leistungselektronik 34, des Energiespeichers 24 oder der Kühlmitteltemperatur stromab dieser Bauteile.
Das in 2 gezeigte Kühlsystem 40 zeigt folgende Funktion. Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 12 wird die mechanische Kühlmittelpumpe 50 durch die Verbrennungskraftmaschine 12 angetrieben und übernimmt die Förderung des Kühlmittels durch Motor- und Teilkühlkreis 44, 46, wobei aufgrund des in der Regel sehr viel höheren Kühlbedarfs des Verbrennungsmotors 12 nur ein relativ geringer Kühlmittelmassenstrom durch den Teilkühlkreis 46 der elektrischen Antriebseinheit 48 geführt wird. In dieser Phase wird die elektrische Maschine 14 zumeist generatorisch betrieben und lädt den Energiespeicher 24 und/oder versorgt das Bordnetz 26 (2). Aufgrund elektrischer Ladungswechsel- und Einspeicherverluste sowie Reibungsverluste in der elektrischen Maschine 14 kommt es zu Erwärmungen der verschiedenen Komponenten der Elektroantriebseinheit 48. Wird die elektrische Maschine 14 hingegen zum Fahrzeugantrieb (alleinig oder zusammen mit dem Verbrennungsmotor 12) oder zum Start des Verbrennungsmotors 12 eingesetzt, führen Ladungswechsel- und Ausspeicher- und Reibungsverluste ebenfalls zur Bauteileerwärmung. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird überprüft, ob ein weitergehendes Kühlerfordernis der Bauelemente des Elektroantriebs 48 vorliegt. Hierfür wird zunächst die Elektromotortemperatur T_EM und/oder die Temperatur T_E der elektronischen Bauelemente 24, 34 mithilfe der Temperatursensoren 68 bzw. 70 erfasst und mit einer unteren Temperaturschwelle, die insbesondere auch unterschiedlich für die verschiedenen Komponenten vorgegeben werden kann, verglichen. Wird die untere Temperaturschwelle durch (insbesondere sämtliche) erfassten Temperaturen T_EM, T_E unterschritten, kann auf eine weitere Kühlung verzichtet werden und die elektrische Kühlmittelpumpe 60 wird nicht angesteuert. Überschreitet mindestens eine der Temperaturen T_EM, T_E hingegen die untere Temperaturschwelle während des Betriebs des Verbrennungsmotors 12, wird die elektrische Kühlmittelpumpe 60 mit einer Leistungsaufnahme angesteuert, die im Wesentlichen proportional mit der erfassten Temperatur T_EM, T_E ansteigt, wobei selbstverständlich eine maximale Leistungsaufnahme nicht überschritten wird. Die elektrische Kühlung wird so lange aufrechterhalten, bis die fortlaufend ermittelten Temperaturen T_EM, T_E zumindest der kritischen Bauteile eine frei applizierbare Temperaturschwelle, die mit der unteren Temperaturschwelle identisch oder verschieden sein kann, wieder unterschritten haben. Besonders vorteilhaft können hier die Einschalt- und Ausschalt-Temperaturschwellen beabstandet voneinander vorgesehen sein (Hysterese), um ein ständiges Ein- und Ausschalten der Pumpe 60 zu vermeiden.
Kommt es etwa infolge eines Ampelstopps zu einem Fahrzeugstillstand, sorgt eine Start-Stopp-Automatik für die Abschaltung des Verbrennungsmotors 12 und damit der mechanischen Kühlmittelpumpe 50, so dass das Kühlmittel nicht mehr gefördert wird. Auch in dieser Situation können die aktuellen Temperaturen T_E und T_EM oder Nachheizeffekte durch den Verbrennungsmotor 12 eine Kühlung der Bauelemente 14, 24, 34 der Elektroantriebseinheit 48 erfordern. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, auch nach Abschalten des Verbrennungsmotors 12 und/oder nach Abstellen des Fahrzeugs zum Parken für eine vorgegebene Zeitdauer weiterhin die Temperaturen T_E und/oder T_EM zu überwachen und bei Unterschreitung der unteren Temperaturschwelle auf einen Betrieb der elektrischen Kühlmittelpumpe 60 zu verzichten. Alternativ kann hier vorgesehen sein, die Pumpe 60 mit einer minimalen Leistungsaufnahme anzusteuern, so dass ein geringer Kühlmittelfluss durch die Bauelemente des Elektroantriebs 48 gewährleistet ist. Dies hat den Vorteil, eine örtliche Ansammlung von Dampfblasen in der Kühlmittelstrecke zu verhindern. Wird bei abgestelltem Verbrennungsmotor 12 die untere Temperaturschwelle hingegen überschritten, kommt es wiederum zur Ansteuerung der elektrischen Kühlmittelpumpe 60 in Abhängigkeit von den Temperaturen T_E und/oder T_EM, bis die Temperaturschwelle wieder unterschritten ist. Dabei kann die untere T-Schwelle für den Stoppbetrieb auch unterschiedlich zu dem für den Verbrennungsmotorbetrieb vorgegeben werden.
Doppelschichtkondensatoren, beispielweise Ultracaps, reagieren im geladenen Zustand bei erhöhter Temperatur mit einer verkürzten Lebensdauer. Insbesondere bei einer Einbauposition im Motorraum kann eine Überhitzung des Kondensatorspeichers 24 infolge der Wärmeabstrahlung des Verbrennungsmotors 12 erfolgen. Kommt es bei abgestelltem Verbrennungsmotor 12 zu einer erhöhten Temperatur des Kondensatorspeichers 24 (oder einer Kombination aus Batterie und Kondensator), ist nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung daher vorgesehen, die elektrische Kühlmittelpumpe 60 aus dem Kondensatorspeicher 24 zu entnehmen und somit dessen Ladungszustand auf einen zulässigen Wert abzusenken. Auf diese Weise wird einerseits die zum Antrieb der elektrischen Kühlmittelpumpe 60 notwendige Energie bereitgestellt, ohne die in der Regel zusätzlich vorhandene Batterie zu entleeren, und andererseits wird der Kondensatorspeicher 24 so weit entladen, dass dieser vor Schädigungen geschützt ist.
In Abweichung zu der vorstehenden Ausführung kann auf die Temperatursensoren 64, 66 68, 70, insbesondere die T-Sensoren 68, 70 des Elektroantriebs 48, auch ganz oder teilweise verzichtet werden und die relevanten Temperaturen der Bauelemente 14, 24 und/oder 34 der Elektroantriebseinheit 48 auch mittels eines in der Motorsteuerung abgespeicherten, empirischen und/oder mathematischen Modells auf Basis geeigneter Bezugsparameter ermittelt werden. Dabei nutzen empirische Modelle Versuchsdaten, die beispielsweise im Motorprüfstand unter typischen Betriebssituationen erhalten wurden und in Form von Kennlinien oder Kennfeldern abgespeichert werden. Mathematische Ansätze hingegen bedienen sich physikalischer Gesetze, um die Temperatur zu berechnen. Mischformen von empirischen und mathematischen Modellen sind ebenfalls denkbar. Geeignete Bezugsparameter sind beispielsweise die Motortemperatur T_M oder Kühlmitteltemperatur T_TM, welche mit dem Temperatursensor 66 beziehungsweise 64 gemessen werden. Ebenfalls kann eine im vorausgegangenen Betrieb durchgesetzte elektrische Leistung der verschiedenen Bauelemente 14, 24, 34 erfasst, kumuliert und zur rechnerischen Ermittlung der Bauteiletemperaturen T_E und/oder T_EM herangezogen werden. Auch eine vorausgegangene Charakteristik einer Fahrpedalbedienung durch den Fahrer kann als Bezugsgröße für die durchgesetzte Leistung und somit zur Ermittlung der Temperaturen T_E und/oder T_EM verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde beispielhaft für die in 2 dargestellte Konfiguration erläutert. Es ist selbstverständlich jedoch auch bei abweichenden Kühlsystemen und/oder Antriebskonfigurationen einsetzbar. Insbesondere kann die mechanische Kühlmittelpumpe 50 auch durch eine weitere elektrische Pumpe ersetzt sein oder eine einzige elektrische Pumpe kann die gesamte Kühlmittelförderung übernehmen. Darüber hinaus können mehr oder weniger Temperatursensoren auch an anderen Einbaupositionen vorgesehen sein. Zudem ist das Verfahren auch für Fahrzeuge mit reinem Elektroantrieb geeignet.

10: Hybridantriebseinheit
12: Verbrennungsmotor
14: elektrische Maschine
16: Getriebe
18: Antriebsstrang
20: Kupplung
22: zusätzliche Kupplung
24: Energiespeicher
26: Bordnetz
28: elektrischer Verbraucher
30: Pufferbatterie
32: DC/DC-Wandler
34: Leistungselektronik/Wechselrichter
36: Motorsteuergerät
38: Steuerlogik
40: Kühlsystem
42: Gesamtkühlkreislauf
44: Motorkühlkreislauf
46: Teilkühlkreislauf
48: Elektroantrieb
50: mechanische Kühlmittelpumpe
52: Pumpenantriebstrang
54: Ausgleichsbehälter
56: Kühler
58: Verzweigungspunkt
60: elektrische Kühlmittelpumpe
62: Leitung
64: Temperatursensor
66: Temperatursensor
68: Temperatursensor
70: Temperatursensor

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Kühlung von zumindest einer elektrischen Maschine (14) und/oder von der zumindest einen elektrischen Maschine (14) zugeordneten elektronischen Bauelementen (24, 34) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs, in welchem ein Verbrennungsmotor (12) sowie die zumindest eine elektrische Maschine (14) eine Fahrzeugantriebseinheit (10) ausbilden, wobei zumindest ein Kühlkreislauf (42) die zumindest eine elektrische Maschine (14) und/oder die elektronischen Bauelemente (24, 34) einschließt und ein Kühlmittel mittels zumindest einer elektrischen Kühlmittelpumpe (60) durch den Kühlkreislauf (42) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Leistungsaufnahme der zumindest einen elektrischen Kühlmittelpumpe (60) in Abhängigkeit von zumindest einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine (14) und/oder der elektronischen Bauelemente (24, 34) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine (14) und/oder der elektronischen Bauelemente (24, 34) mittels mindestens eines Temperatursensors (68, 70) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine (14) und/oder der elektronischen Bauelemente (24, 34) mittels eines empirischen und/oder mathematischen Modells in Abhängigkeit von Bezugsparametern ermittelt wird, insbesondere in Abhängigkeit von einer vorausgegangenen durchgesetzten elektrischen Leistung und/oder einer vorausgegangenen Fahrpedalcharakteristik und/oder einer Motortemperatur (T_M) und/oder einer Kühlmitteltemperatur (T_KM).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer unteren Temperaturschwelle für die zumindest eine Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine (14) und/oder der elektronischen Bauelemente (24, 34) die zumindest eine elektrische Kühlmittelpumpe (60) nicht oder mit einer minimalen Leistungsaufnahme betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer unteren Temperaturschwelle für die zumindest eine Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine (14) und/oder der elektronischen Bauelemente (24, 34) die zumindest eine Kühlmittelpumpe (60) mit einer mit der zumindest einen Temperatur im Wesentlichen zunehmenden Leistungsaufnahme betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Stopp des Verbrennungsmotors (12), insbesondere auch in einer Abstellphase des Kraftfahrzeugs, für eine vorgegebene Zeitspanne der temperaturabhängige Betrieb der elektrischen Kühlmittelpumpe (60) fortgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Stopp des Verbrennungsmotors (12), insbesondere in einer Abstellphase des Kraftfahrzeugs, die elektrische Kühlmittelpumpe (60) aus einem Kondensatorspeicher (24) gespeist wird.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer elektrischen Maschine (14) und dieser zugeordneten elektronischen Bauelementen (24, 34), insbesondere Hybridfahrzeug, in welchem ein Verbrennungsmotor (12) sowie die zumindest eine elektrische Maschine (14) eine Fahrzeugantriebseinheit ausbilden, mit zumindest einem die zumindest eine elektrische Maschine (14) und/oder die elektronischen Bauelemente (24, 34) einschließenden Kühlkreislauf (42) und mit zumindest einer elektrischen Kühlmittelpumpe (60) zur Förderung eines Kühlmittels durch den Kühlkreislauf (42), gekennzeichnet durch Mittel, mit denen in Abhängigkeit von zumindest einer Temperatur der zumindest einen elektrischen Maschine (14) und/oder der dieser zugeordneten elektronischen Bauelemente (24, 34) eine elektrische Leistungsaufnahme der zumindest einen Kühlmittelpumpe (60) gesteuert oder geregelt wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die der zumindest einen elektrischen Maschine (14) zugeordneten elektronischen Bauelemente mindestens einen Pulswechselrichter (34) und mindestens einen Energiespeicher (24), insbesondere einen Kondensatorspeicher, umfassen.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkreislauf ein Teilkühlkreislauf (46) eines Gesamtkühlkreislaufs (42) ist, welcher zudem einen Motorkühlkreislauf (44) zur Kühlung des Verbrennungsmotors (12) umfasst.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtkühlkreislauf (42) zumindest eine weitere elektrische und/oder mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe (54) aufweist.