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DE102006034021A1 - Kraftfahrzeug - Google Patents

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DE102006034021A1
DE102006034021A1 DE102006034021A DE102006034021A DE102006034021A1 DE 102006034021 A1 DE102006034021 A1 DE 102006034021A1 DE 102006034021 A DE102006034021 A DE 102006034021A DE 102006034021 A DE102006034021 A DE 102006034021A DE 102006034021 A1 DE102006034021 A1 DE 102006034021A1
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DE
Germany
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motor vehicle
vehicle according
unit
power electronics
housing
Prior art date
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DE102006034021A
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English (en)
Inventor
Andreas Dipl.-Ing. Ebert
Peter Gere
Arnold Dipl.-Ing. Klimas
Lena Dipl.-Ing. Krimstein
Dung van Dipl.-Ing. Nguyen (FH)
Werner Walter
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Priority to JP2009521128A priority patent/JP2009544512A/ja
Priority to PCT/EP2007/005802 priority patent/WO2008011958A1/de
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Priority to US12/321,363 priority patent/US8857543B2/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (VM), einer Elektromaschine (EM) und einer Leistungselektronik (LE), wobei das Kraftfahrzeug durch den Verbrennungsmotor (VM) und/oder die Elektromaschine (EM) antreibbar ist. Um den zur Verfügung stehenden Bauraum möglichst gut auszunutzen, ist die Leistungselektronik (LE) oberhalb des Verbrennungsmotors (VM) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Fahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor und einer Elektromaschine, durch die das Fahrzeug angetrieben werden kann, weisen zur Umformung und Schaltung von elektrischer Energie sowie zur Steuerung der Elektromaschine eine Leistungselektronik auf. Die elektrische Energie liegt hierbei in Form hoher elektrischer Ströme und Spannungen vor. Die Leistungselektronik ermöglicht vor allem die Umwandlung elektrischer Energie einer bestimmten Spannung und Frequenz in eine andere Spannungsamplitude und/oder Frequenz.
  • Bei der Verwendung einer Batterie als elektrischer Energiespeicher und einer Drehstrommaschine als Elektromaschine dient die Leistungselektronik der Umwandlung der Gleichspannung der Batterie in Drei-Phasen-Wechselspannung zum motorischen Betrieb der Drehstrommaschine sowie der Umwandlung der Drei-Phasen-Wechselspannung in Gleichspannung beim generatorischen Betrieb der Drehstrommaschine.
  • Bei bekannten Fahrzeugen wird die Leistungselektronik in der Nähe der Elektromaschine angeordnet, um die Länge der Wechselspannungsverdrahtung kurz zu halten und so beispielsweise den möglichen Spannungsabfall in der Wechselspannungsverdrahtung gering zu halten. Bei einer Integration der Elektromaschine in das Fahrzeuggetriebe wird die Leistungselektronik am Getriebegehäuse befestigt.
  • Eine solche Anordnung in einem Hybridfahrzeug ist beispielsweise aus der DE 197 47 265 A1 bekannt.
  • Weitere Elemente der Leistungselektronik, wie beispielsweise Wechselrichtereinheiten für Zusatzaggregate, Gleichstromstellereinheiten oder Steuereinheiten, werden bei bekannten Fahrzeugen entsprechend kleinerer, zur Verfügung stehender Bauräume über das Fahrzeug verteilt angeordnet. Hierfür sind nachteilig lange elektrische Verdrahtungen notwendig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Anordnung der Leistungselektronik vorzuschlagen, die den zur Verfügung stehenden Bauraum möglichst gut ausnutzt.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist die Leistungselektronik oberhalb des Verbrennungsmotors angeordnet.
  • Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der im Getriebetunnel zur Verfügung stehende Bauraum optimal für die Elektromaschine beziehungsweise das Getriebegehäuse verwendet werden kann. Somit kann der Durchmesser der Elektromaschine bei gegebenem Bauraum vergrößert werden und damit auch die Leistung der Elektromaschine erhöht werden. Eine Anordnung oberhalb des Verbrennungsmotors bietet ebenfalls den Vorteil, dass aufgrund der großen zur Verfügung stehenden horizontalen Fläche mehrere Elemente der Leistungselektronik zusammengefasst und dort angeordnet werden können. Hierdurch ergeben sich vorteilhaft kurze elektrische Verdrahtungen.
  • Hierbei ist die Leistungselektronik vorzugsweise bei einer waagerechten Ausrichtung des Fahrzeuges lotrecht oberhalb des Verbrennungsmotors angeordnet. Der Verbrennungsmotor und die Leistungselektronik sind also derart angeordnet, dass sich ihre projizierten waagrechten Flächen in vertikaler Richtung überlappen.
  • Vorteilhaft sind die Elemente der Leistungselektronik innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das einen Mindestabstand zur Motorhaube aufweist. Dieser Mindestabstand ist notwendig, um dem erforderlichen Fußgängerschutz gerecht zu werden. Hierbei weist das Gehäuse insbesondere eine Form auf, die der Form der Motorhaube angeglichen ist und somit den zur Verfügung stehenden Bauraum besser ausnutzt.
  • Die Anordnung innerhalb eines Gehäuses weist zudem den Vorteil auf, dass Schutzvorkehrungen aufgrund der anliegenden elektrischen Spannung leichter und kostengünstiger durchgeführt werden können.
  • Für eine vorteilhafte Herstellung und/oder Montage des Gehäuses kann dieses mehrere Teile aufweisen.
  • Aufgrund der hohen Temperaturen oberhalb des Verbrennungsmotors ist vorteilhaft innerhalb des Gehäuses eine Kühleinheit zur Kühlung der Leistungselektronik angeordnet.
  • Um die Übertragung von Schwingungen des Verbrennungsmotors oder des Triebstrangs auf die Leistungselektronik zu vermeiden, ist das Gehäuse vorteilhaft karosseriefest angeordnet. Das Gehäuse ist also mechanisch mit der Karosserie des Fahrzeuges verbunden. Hierbei ist insbesondere eine mechanische Verbindung mit dem rechten und linken Federbeindom und/oder der Kühlerbrücke des Fahrzeuges vorteilhaft. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn eine Verbindung mit der Karosserie bezüglich Schwingungen entkoppelt ist.
  • Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges,
  • 2 einen Längsschnitt einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges und
  • 3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges.
  • 1 zeigt aus einer Perspektive von vorne einen Querschnitt einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor VM, einer Elektromaschine (nicht dargestellt) sowie einer Leistungselektronik LE, die in einem Gehäuse G, das aus zwei Teilen G1, G2 besteht, angeordnet ist. Die Leistungselektronik LE ist oberhalb des Verbrennungsmotors VM angeordnet, insbesondere ist sie derart angeordnet, dass sich die projizierten waagrechten Flächen der Leistungselektronik LE und des Verbrennungsmotors VM in vertikaler Richtung überlappen. Ebenso ist eine Anordnung möglich, bei der sich die projizierten waagrechten Flächen nur in einem geringeren Maße überlappen oder gar nicht überlappen, wenn dies der zur Verfügung stehende Bauraum zulässt. Das Gehäuse G weist einen Mindestabstand zur Motorhaube M auf. Dieser Mindestabstand ist notwendig, um dem erforderlichen Fußgängerschutz gerecht zu werden. Das Gehäuse G ist derart bezüglich Motorhaube M und Verbrennungsmotor VM ausgeformt, dass der zur Verfügung stehende Bauraum möglichst gut ausgenutzt werden kann.
  • Das in 1 dargestellte Gehäuse G ist über mechanische Verbindungen mit dem rechten und linken Federbeindom FR, FL verbunden. Weitere Verbindungen mit der Karosserie, insbesondere wie in 2 dargestellt mit der Kühlerbrücke KB, sind möglich, um insbesondere Kräfte in Längsrichtung des Fahrzeuges zu kompensieren. Zur Unterdrückung beziehungsweise Entkopplung von Schwingungen können die mechanischen Verbindungen selbst und/oder die Kontaktpunkte mit dem Gehäuse G und/oder mit der Karosserie entsprechende bekannte Mittel aufweisen.
  • Bei dem in 2 dargestellten Längsschnitt einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges ist die Leistungselektronik LE ebenfalls innerhalb eines Gehäuses G angeordnet, das sich oberhalb des Verbrennungsmotors VM befindet und einen Mindestabstand zur Motorhaube M aufweist. Während in 1 die Angleichung der Form des Gehäuses G an den Verbrennungsmotor VM angedeutet wurde, zeigt 2 eine Angleichung der Form an die Motorhaube M. Eine Kombination von beidem ist selbstverständlich möglich. Das Gehäuse G weist eine mechanische Verbindung mit der Kühlerbrücke KB, die in Fahrzeugquerrichtung oberhalb des Kühlergrills angeordnet ist und einen Teil der Karosserie darstellt, der beispielsweise die Motorhaubenverriegelung aufnimmt. Eine mechanische Verbindung mit der Kühlerbrücke KB ist aufgrund der gegebenen Zugänglichkeit vom Gehäuse G aus besonders vorteilhaft, jedoch kann das Gehäuse G auch noch mit anderen Punkten der Karosserie verbunden sein. Wie zu 1 erläutert, weist die mechanische Verbindung besonders vorteilhaft Mittel zur Unterdrückung von Schwingungen auf. Hierbei kann es sich um Schwingungen handeln, die durch den Verbrennungsmotor VM oder den Triebstrang erzeugt werden und die Leistungselektronik LE beziehungsweise die elektrische Verdrahtung beschädigen könnten. Es kann sich aber auch um, insbesondere höherfrequente, Schwingungen handeln, die durch die Leistungselektronik LE erzeugt werden und sich negativ auf andere Elemente auswirken könnten oder durch eine Weiterleitung an die Karosserie den Komfort für den Fahrer negativ beeinflussen könnten.
  • 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges mit einer Rahmenkonstruktion R, R1 zur Befestigung der Elemente der Leistungselektronik LE, die durch ein nicht dargestelltes Gehäuse G umgeben sein können.
  • Bei dieser beispielhaften Ausgestaltung ist der Rahmen R mechanisch mit dem rechten und linken Federbeindom FR, FL verbunden. Zur mechanischen Anbindung an die Kühlerbrücke KB sind in 3 zwei Streben S1, S2 dargestellt, die mit dem Rahmen R mechanisch verbunden sind. Diese mechanischen Verbindungen sind vorzugsweise von Schwingungen entkoppelt.
  • Die Leistungselektronik LE gemäß 3 weist zwei Baueinheiten 31, 32 auf, zu deren Befestigung der Rahmen R mit einer Strebe R1 ausgebildet ist. Diese Baueinheiten 31, 32 wären bei einer zweiteiligen Ausführung des nicht dargestellten Gehäuses G jeweils in den Teilen G1, G2, wie in 1 dargestellt, angeordnet.
  • Die Baueinheit 31 der Leistungselektronik LE gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 weist eine Wechselrichtereinheit TPIM auf, die die Gleichspannung eines Energiespeichers in Wechselspannung für eine Elektromaschine umwandelt und umgekehrt. Beispielhaft sind die Anschlüsse U1, V1, W1 dargestellt, die mit einer ersten Elektromaschine bzw.
  • Drehstrommaschine verbunden sind, und die Anschlüsse U2, V2, W2, die mit einer zweiten Elektromaschine verbunden sind. Die Anschlüsse BA1, BA2 sind mit einer Hochvolt-Batterie verbunden.
  • Als Hochvolt werden Spannungen oberhalb von 100 V, insbesondere um 300 V Nennspannung, bezeichnet. Wohingegen Niedervolt eine Spannung von etwa 12 bis 15 V meint.
  • Des Weiteren weist die Baueinheit B1 eine elektrische Hochvolt-Verbindung HV1 mit der Baueinheit B2, vielmehr einer darin enthaltenen Leistungsverteilungseinheit PDU, auf.
  • Die Baueinheit B1 umfasst ebenfalls eine Kühleinheit zur Kühlung der Leistungselektronik LE der Baueinheit B1. Entsprechende Anschlüsse an einen Kühlkreislauf sind in 3 mit K1 beziffert.
  • Ebenso könnte die Leistungselektronik LE der Baueinheit B1 eine zweite Wechselrichtereinheit EMPI umfassen, die die Gleichspannung der Hochvolt-Batterie in Wechselspannung für ein Zusatzaggregat, insbesondere eine Getriebeölpumpe, umwandelt.
  • Den Wechselrichtereinheiten TPIM, EMPI zugeordnete Steuereinheiten sind in 3 nicht dargestellt. Die Steuereinheiten sind vorzugsweise in die Baueinheit B1 integriert.
  • Die zweite Baueinheit B2 umfasst die Leistungsverteilungseinheit PDU sowie eine Gleichstromstellereinheit APM mit einem Niedervolt-Ausgang NV1, der mit einer Niedervolt-Batterie oder direkt mit elektrischen Verbrauchern verbunden ist.
  • Die Leistungsverteilungseinheit PDU ist über eine Hochvolt-Leitung HV2 mit einem Kältemittelverdichter KMV der Klimaanlage des Fahrzeuges verbunden, wobei dieser beispielhaft für weitere elektrische Verbraucher steht. Ebenso ist die Leistungsverteilungseinheit PDU über eine weitere Hochvolt-Leitung HV3 mit der Gleichstromstellereinheit APM verbunden. Eine der Gleichstromstellereinheit APM zugeordnete Steuereinheit, welche vorzugsweise in die Baueinheit B2 integriert ist, ist nicht dargestellt. Jedoch ist die Steuerung der Gleichstromstellereinheit APM durch einen Anschluss SL für eine Signalleitung angedeutet.
  • Zur Kühlung der Baueinheit B2 weist diese ebenfalls eine Kühleinheit auf, deren Anschlüsse mit K2 und K3 beziffert sind. Diese können an einen separaten Kühlkreislauf angeschlossen sein oder mit der Kühleinheit der Baueinheit B1 verbunden sein.
  • Wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, ist es ebenfalls möglich die Leistungsverteilungseinheit PDU als separate Baueinheit auszubilden, die dann in einem dritten Teil des nicht dargestellten Gehäuses G angeordnet wäre.
  • Eine Kühlung der dritten Baueinheit wäre entsprechend den Baueinheiten B1, B2 ausgeführt.
  • Andere bauliche Gruppierungen in Baueinheiten sind ebenfalls möglich.

Claims (20)

  1. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (VM), einer Elektromaschine, wobei das Kraftfahrzeug durch den Verbrennungsmotor (VM) und/oder die Elektromaschine antreibbar ist, und einer Leistungselektronik (LE), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (LE) oberhalb des Verbrennungsmotors (VM) angeordnet ist.
  2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die projizierten waagerechten Flächen der Leistungselektronik (LE) und des Verbrennungsmotors (VM) in vertikaler Richtung überlappend angeordnet sind.
  3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (LE) innerhalb eines Gehäuses (G), das einen Mindestabstand zu einer Motorhaube (M) aufweist, angeordnet ist.
  4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (G) zwei Teile (G1, G2) aufweist.
  5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (G) einen dritten Teil aufweist.
  6. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (G) eine Kühleinheit zur Kühlung der Leistungselektronik (LE) angeordnet ist.
  7. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (G) mechanisch mit einer Karosserie des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
  8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (G) mechanisch mit einem rechten und linken Federbeindom (FR, FL) des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
  9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (G) mechanisch mit einer Kühlerbrücke (KB) des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
  10. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung mit der Karosserie des Kraftfahrzeuges bezüglich Schwingungen entkoppelt ist.
  11. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (LE) eine Leistungsverteilungseinheit (PDU) mit einem Hochvolt-Eingang (HV1) von einer Energiequelle und mindestens einem Hochvolt-Ausgang (HV2) zu einem elektrischen Verbraucher umfasst.
  12. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (LE) eine Wechselrichtereinheit (TPIM) umfasst, die die Gleichspannung eines Energiespeichers in Wechselspannung für die Elektromaschine umwandelt und umgekehrt.
  13. Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (LE) eine der Wechselrichtereinheit (TPIM) zugeordnete erste Steuereinheit umfasst.
  14. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (LE) eine Gleichstromstellereinheit (APM) mit einem Niedervolt-Ausgang (NV1) umfasst.
  15. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (LE) eine zweite Wechselrichtereinheit (EMPI) umfasst, die die Gleichspannung eines Energiespeichers in Wechselspannung für ein Zusatzaggregat umwandelt.
  16. Kraftfahrzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzaggregat eine Getriebeölpumpe ist.
  17. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (LE) eine der Gleichstromstellereinheit (APM) und/oder der zweiten Wechselrichtereinheit (EMPI) zugeordnete zweite Steuereinheit umfasst.
  18. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 4, 11, 13 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverteilungseinheit (PDU), die Wechselrichtereinheit (TPIM) und die erste Steuereinheit innerhalb des ersten Teils (G1) und die Gleichstromstellereinheit (APM), die zweite Wechselrichtereinheit (EMPI) und die zweite Steuereinheit innerhalb des zweiten Teils (G2) des Gehäuses (G) angeordnet sind.
  19. Kraftfahrzeug nach den Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Teils (G1, G2, G3) des Gehäuses (G) eine Kühleinheit zur Kühlung der Leistungselektronik (LE) angeordnet ist, die mit einer Kühleinheit, die innerhalb eines anderen Teils (G1, G2, G3) des Gehäuses (G) angeordnet ist, verbindbar ist.
  20. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 5, 11, 13 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichtereinheit (TPIM) und die erste Steuereinheit sowie die zweite Wechselrichtereinheit (EMPI) und die zweite Steuereinheit innerhalb des ersten Teils (G1), die Gleichstromstellereinheit (APM) innerhalb des zweiten Teils (G2) und die Leistungsverteilungseinheit (PDU) innerhalb des dritten Teils (G3) des Gehäuses (G) angeordnet sind.
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