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WO2019238343A1 - Elektrische antriebseinheit für ein kraftfahrzeug sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Elektrische antriebseinheit für ein kraftfahrzeug sowie kraftfahrzeug Download PDF

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WO2019238343A1
WO2019238343A1 PCT/EP2019/062402 EP2019062402W WO2019238343A1 WO 2019238343 A1 WO2019238343 A1 WO 2019238343A1 EP 2019062402 W EP2019062402 W EP 2019062402W WO 2019238343 A1 WO2019238343 A1 WO 2019238343A1
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WO
WIPO (PCT)
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lubricant
switching unit
coolant
circuit
drive unit
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2019/062402
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yann Tremaudant
Felix Merz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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Priority to CN201980007616.2A priority patent/CN111565953B/zh
Publication of WO2019238343A1 publication Critical patent/WO2019238343A1/de
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Definitions

  • the invention relates to an electric drive unit for a motor vehicle, comprising an electric machine with a stator and a rotor, an inverter connected upstream of the electric machine with a first switching unit for energizing a first phase system of the stator, a gearbox connected to the rotor for torque transmission, and a lubricant circuit for lubricating the transmission and / or for cooling the rotor, a first coolant circuit for cooling the first switching unit and a lubricant-coolant heat exchanger for thermally coupling the first coolant circuit and the lubricant circuit.
  • the invention also relates to a motor vehicle.
  • electric drive units for electrically drivable motor vehicles, for example electric or hybrid vehicles.
  • Such drive units usually have an electrical machine, for example a three-phase machine, an inverter and a transmission. It is common for the inverter upstream of the electrical machine to be cooled, for example by arranging it in a coolant circuit and flowing through a coolant or refrigerant circulating in the coolant circuit.
  • the electric drive unit can also have a lubricant circuit in which the gear is arranged.
  • the gearbox is used to minimize
  • Loss of friction is lubricated by a lubricant circulating in the lubricant circuit, for example oil.
  • the lubricant used can also be used to cool a rotor of the electrical machine.
  • the rotor is therefore also arranged in the lubricant circuit and the lubricant can flow through it.
  • the lubricant circuit for the transmission and the coolant circuit for the inverter are thermally coupled to one another via a lubricant-coolant heat exchanger for heat transfer between the coolant circuit and the lubricant circuit. This allows the Coolant circuit can also be used to cool the lubricant of the lubricant circuit.
  • this object is achieved by an electric drive unit and a motor vehicle with the features according to the respective independent independent
  • the electric drive unit comprises a control device which is designed to provide a loss-increasing operating mode for the first switching unit for increasing a power loss of the first switching unit that heats the coolant of the first coolant circuit.
  • the lubricant-coolant heat exchanger is designed to reduce the heat of the heated coolant resulting from the increased loss conduction to reduce a viscosity of the lubricant to the
  • the electrical drive unit can be, for example, an electrical machine with integrated power electronics or integrated inverter and integrated gear.
  • the electrical machine, the inverter and the transmission can be arranged in a common housing, so that the drive unit is particularly compact.
  • the electrical machine can be, for example, an n-phase induction machine, the n phases of which are energized by an upstream n-phase inverter.
  • the inverter then comprises exactly one switching unit having three half bridges with switches connected in parallel, each half bridge being electrically connected to a phase of the electrical machine.
  • the inverter can then do two
  • Switching units each comprising three half bridges connected in parallel with switches.
  • the switches of the first switching unit are switched according to a predetermined switching pattern by the control device.
  • the switches can be power semiconductors, for example IGBTs or
  • the first switching unit is arranged in the first coolant circuit and is flowed through by the coolant, for example water, circulating in the first coolant circuit.
  • the coolant for example water
  • the transmission is arranged in the lubricant circuit.
  • the lubricant circuit has a reservoir, for example an oil pan, from which the lubricant, for example oil, can be reliably guided to friction points in the transmission. This can reduce losses in the gearbox.
  • the lubricant circulating in the lubricant circuit can also cool the rotor of the electrical machine
  • the lubricant circuit and the coolant circuit are thermally coupled via the lubricant-coolant heat exchanger, or heat exchanger for short.
  • the lubricant can be cooled so that its temperature does not exceed an upper temperature limit, for example 100 ° C.
  • heat can be transferred from the lubricant circuit to the coolant circuit.
  • the temperature of the lubricant has a lower temperature limit
  • the viscosity of the lubricant is very high.
  • the lubricant is very viscous at low temperatures and is therefore difficult to convey to the friction points in the gearbox. Therefore, the lubricant is heated to reduce the viscosity. To do this, the
  • Control device the first switching unit of the inverter in the loss-increasing
  • the loss-increasing operating mode is therefore to be understood as an operating mode in which the switching unit “generates” a higher power loss than in the loss-optimized operating mode.
  • the loss-increasing operating mode deliberately increases the power loss emitted by the first switching unit.
  • Coolant circuit actively heated. This heat is supplied to the heat exchanger downstream of the first switching unit in the first coolant circuit, which heat exchanger transfers the heat to the lubricant circuit. As a result, the lubricant circulating in the lubricant circuit heats up, whereby its viscosity can be reduced.
  • the viscosity of the lubricant can be reduced without additional components, for example a separate heater, having to be provided in the drive unit. Losses in the transmission of the drive unit can thus be reduced in a simple manner.
  • control device is designed to increase switching losses of switches of the first switching unit in order to increase the power loss and to switch the switches in the loss-increasing operating mode with a switching frequency greater than a predetermined switching frequency threshold value.
  • the first switching unit is operated in the loss-optimized operating mode.
  • the Switching frequency of the first switching unit increased.
  • the control device is designed to control switches of the first switching unit in order to increase the power loss in such a way that a power transmitted to the electrical machine by the first switching unit is greater than a predetermined power threshold value.
  • the first coolant circuit is additionally designed to cool the stator, the coolant circulating in the first coolant circuit flowing from the first switching unit in the direction of the stator.
  • the first switching unit and the stator are thus arranged in series in the cooling circuit.
  • Laminated core of the stator have cooling channels through which the coolant flows.
  • the coolant can be guided along an outer side of the laminated core for cooling the stator.
  • the electrical machine can be operated particularly efficiently by cooling the stator by means of the first coolant circuit and in particular by cooling the rotor by means of the lubricant circuit.
  • the lubricant-coolant heat exchanger is arranged in the first coolant circuit to prevent the supply of heated coolant to the stator between the first switching unit and the stator.
  • the heat given off to the coolant by the loss-increasing operating mode can be passed on to the lubricant via the heat exchanger before the coolant flows through the stator. In this way, undesired heating of the stator can be prevented and thus also loss-increasing
  • the inverter particularly preferably has a second switching unit for energizing a second phase system of the stator.
  • the electric drive unit has a second coolant circuit for the second switching unit and the stator, the control device being designed for the second switching unit during the
  • the electrical machine is designed as a six-phase induction machine with two three-phase systems and the inverter is designed as a six-phase inverter with two switching units.
  • the two parallel switching units of the inverter can be operated asymmetrically in the two different operating modes. So it can be from the
  • Control device for the first switching unit of the loss-increasing operating mode are provided, while for the second switching unit the loss-optimal
  • the switching frequency of the switches of the first switching unit can be greater than the switching frequency of the switches of the second switching unit.
  • transmitted portion of power may be greater than a portion of power transmitted via the second switching unit.
  • the first coolant circuit is used in particular only for cooling the first switching unit and for transporting heat loss to the heat exchanger.
  • the second coolant circuit is not in particular with the
  • Heat exchanger is thermally coupled and is used to cool the second switching unit and the stator.
  • the second switching unit and the stator can be reliably cooled by means of the second coolant circuit.
  • control device is designed to provide the loss-increasing operating mode for the first switching unit only when the temperature of the lubricant is below a predetermined one
  • T emperature lower limit in particular 60 ° C, is.
  • the temperature of the lubricant can be detected by means of a temperature sensor and the loss-increasing switching behavior can be provided for the switches if the
  • the temperature of the lubricant is below the lower temperature limit. Below this lower temperature limit, the viscosity of the lubricant is undesirably high. This temperature occurs in particular when the motor vehicle is started or when the motor vehicle is started.
  • switching temperature values and / or power values that increase the loss can be assigned to certain temperature values of the lubricant.
  • To provide the power loss that is used in the current Temperature of the lubricant to reduce the viscosity is then required by the control device from the predetermined assignment of the associated
  • Switching frequency value and / or the associated power value are selected and provided for the first switching unit.
  • a motor vehicle according to the invention comprises an electric drive unit according to the invention or an embodiment thereof.
  • the motor vehicle is designed in particular as an electric or hybrid vehicle in the form of a passenger car.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an embodiment of an electric drive unit according to the invention.
  • the electric drive unit 1 is used to drive a not shown here
  • the drive unit 1 has an electrical machine 2, an inverter 3 connected upstream of the electrical machine 2 and a transmission 4.
  • the electrical machine 2 has a stator 5 and a rotor 6 rotatably mounted with respect to the stator 5.
  • the rotor 6 is coupled via a rotor shaft 7 to the transmission 4, which here transmits a torque of the rotor 6 to wheels 9 of the motor vehicle via various gear stages 8.
  • phases U, U 'V, V', W, W 'of the stator 5 are energized by the inverter 3.
  • the electrical machine 2 is designed as a six-phase induction machine, which has a first phase system consisting of the phases U, V, W and a second phase system consisting of the phases U ', V', W '.
  • the inverter 3 instructs one to the number Phases U, U 'V, V', W, W 'of the stator 5 have the corresponding number of strands or half bridges with controllable switches.
  • the inverter 3 has a first one
  • Switching unit 10 which is electrically connected to the first phase system, and a parallel second switching unit 11, which is electrically connected to the second phase system.
  • Each switching unit 10, 1 1 has three half bridges
  • the switches are driven to energize the phases U, IT V, V ', W, W' according to predetermined switching sequences in such a way that a rotating magnetic field is generated in the induction machine 2, which drives the rotor 6.
  • the drive unit 1 here has two coolant circuits 12, 13 shown in sections (broken lines).
  • the first coolant circuit 12 serves to cool the first switching unit 10 in that a coolant 12 circulating in the first coolant circuit 12 flows through the first switching unit 10.
  • the second coolant circuit 12 serves to cool the first switching unit 10 in that a coolant 12 circulating in the first coolant circuit 12 flows through the first switching unit 10.
  • Coolant circuit 13 serves to cool the second switching unit 11 and the stator 5.
  • a coolant circulating in the second coolant circuit 13 flows through the second switching unit 11 and the stator 5.
  • the coolant or refrigerant can be a cooling liquid, for example water.
  • the drive unit 1 has a lubricant circuit 14 (solid lines), in which a lubricant 15 for lubricating the transmission 4 circulates.
  • the lubricant 15 can be oil, for example, and is supplied from a reservoir 16, for example an oil pan, to the transmission 4 for lubrication via a filter 17 and to the reservoir 16 again via a first return path 18.
  • the lubricant 15 is also formed by the hollow body
  • Rotor shaft 7 passed to cool the rotor 6 and passed back into the reservoir 16 via a second return path 19.
  • the lubricant circuit 14 and the first coolant circuit 12 are thermally coupled via a lubricant-coolant heat exchanger 20.
  • the heat exchanger 20 transfers a heat of the
  • Cool lubricant 15. This can prevent the lubricant 15 from exceeding a certain upper temperature limit, for example 100 ° C.
  • a certain upper temperature limit for example 100 ° C.
  • the lubricant 15 also has a high viscosity. This is undesirable because it results in losses in the transmission 4. Therefore, the lubricant 15 is heated if its temperature falls below a predetermined lower temperature limit, in particular 60 ° C. This can be detected, for example, by a temperature sensor (not shown here) in the lubricant circuit 14 and one
  • Control device 21 of the drive unit 1 can be provided. To heat the lubricant 15, the first switching unit 10 is controlled by the control device 21 of the drive unit 1 in such a way that its power loss is increased.
  • Switching unit 10 is therefore operated by the control device 21 in a loss-increasing operating mode.
  • the second switching unit 11 can be operated by the control device 21 in a loss-optimized operating mode.
  • the switching units 10, 1 1 can thus be operated asymmetrically by the control device 21.
  • switches of the first switching unit 10 can be operated with a switching frequency which exceeds a predetermined threshold value and is higher than the switching frequency of the second switching unit 11.
  • the control device 21 can control the switching units 10, 11 in such a way that first switching unit 10 more power is transmitted than via the second switching unit 1 1.
  • Switching unit 10 heated coolant flowing through the first coolant circuit 12. This heated coolant is supplied to the heat exchanger 20 which is connected in series to the first switching unit 10. The heat exchanger 20 transfers the heat of the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend - eine elektrische Maschine (2) mit einem Stator (5) und einem Rotor (6), - einen Inverter (3) mit einer ersten Schalteinheit (10) zum Bestromen eines ersten Phasensystems (U, V, W) des Stators (5), - ein mit dem Rotor (6) zur Drehmomentübertragung verbundenes Getriebe (4), - einen Schmiermittelkreislauf (14) zum Schmieren des Getriebes (4) und/oder zum Kühlen des Rotors (5), - einen ersten Kühlmittelkreislauf (12) zum Kühlen der ersten Schalteinheit (10), - einen Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher (20) zur thermischen Kopplung des ersten Kühlmittelkreislaufs (12) und des Schmiermittelkreislaufs (14), - eine Steuereinrichtung (21), welche dazu ausgelegt ist, einen verlusterhöhenden Betriebsmodus für die erste Schalteinheit (10) zum Erhöhen einer ein Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs (12) erwärmenden Verlustleistung bereitzustellen, wobei der Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher (20) dazu ausgelegt ist, eine Wärme des erwärmten Kühlmittels zum Verringern einer Viskosität eines Schmiermittels (15) auf den Schmiermittelkreislauf (14) zu übertragen.

Description

Elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, einen der elektrischen Maschine vorgeschalteten Inverter mit einer ersten Schalteinheit zum Bestromen eines ersten Phasensystems des Stators, ein mit dem Rotor zur Drehmomentübertragung verbundenes Getriebe, einen Schmiermittelkreislauf zum Schmieren des Getriebes und/oder zum Kühlen des Rotors, einen ersten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen der ersten Schalteinheit und einen Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher zur thermischen Kopplung des ersten Kühlmittelkreislaufs und des Schmiermittelkreislaufs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Antriebseinheiten für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Antriebseinheiten weisen üblicherweise eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Drehfeldmaschine, einen Inverter sowie ein Getriebe auf. Dabei ist es üblich, dass der der elektrischen Maschine vorgeschaltete Inverter gekühlt wird, beispielsweise indem er in einem Kühlmittelkreislauf angeordnet wird und durch ein in dem Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel bzw. Kältemittel durchströmt wird.
Auch kann die elektrische Antriebseinheit einen Schmiermittelkreislauf aufweisen, in welchem das Getriebe angeordnet ist. Das Getriebe wird zum Minimieren von
Reibverlusten durch ein in dem Schmiermittelkreislauf zirkulierendes Schmiermittel, beispielsweise Öl, geschmiert. Das verwendete Schmiermittel kann außerdem zur Kühlung eines Rotors der elektrischen Maschine verwendet werden. Der Rotor ist also ebenfalls in dem Schmiermittelkreislauf angeordnet und kann von dem Schmiermittel durchströmt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schmiermittelkreislauf für das Getriebe und der Kühlmittelkreislauf für den Inverter über einen Schmiermittel- Kühlmittel-Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittelkreislauf und dem Schmiermittelkreislauf thermisch miteinander gekoppelt sind. Hierdurch kann der Kühlmittelkreislauf auch zum Kühlen des Schmiermittels des Schmiermittelkreislaufs verwendet werden.
Insbesondere beim Starten des Kraftfahrzeugs ist jedoch eine Temperatur des
Schmiermittels niedrig und dadurch eine Viskosität des Schmiermittels sehr hoch. Erst nach einer gewissen Zeitdauer erwärmt sich das Schmiermittel im Betrieb des
Kraftfahrzeugs auf eine Temperatur, bei welcher die Viskosität innerhalb eines
Sollbereiches liegt. Während dieser Zeitdauer des Erwärmens hat die hohe Viskosität des Schmiermittels jedoch erhöhte Verluste am Getriebe zur Folge.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders verlustarme elektrische Antriebseinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen
Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
Eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug weist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, einen der elektrischen Maschine vorgeschalteten Inverter mit einer ersten Schalteinheit zum Bestromen eines ersten Phasensystems des Stators sowie ein mit dem Rotor zur Drehmomentübertragung verbundenes Getriebe auf. Ferner weist die Antriebseinheit einen Schmiermittelkreislauf für das Getriebe zum Schmieren des Getriebes und/oder für den Rotor zum Kühlen des Rotors auf. Darüber hinaus weist die Antriebseinheit einen ersten Kühlmittelkreislauf für die erste Schalteinheit des Inverters zum Kühlen der ersten Schalteinheit auf. Ein Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher dient zur thermischen Kopplung des ersten Kühlmittelkreislaufes und des Schmiermittelkreislaufes. Darüber hinaus umfasst die elektrische Antriebseinheit eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen verlusterhöhenden Betriebsmodus für die erste Schalteinheit zum Erhöhen einer das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs erwärmenden Verlustleistung der ersten Schalteinheit bereitzustellen. Der Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher ist dazu ausgelegt, eine aus der erhöhten Verlustleitung resultierende Wärme des erwärmten Kühlmittels zum Verringern einer Viskosität des Schmiermittels auf den
Schmiermittelkreislauf zu übertragen. Die elektrische Antriebseinheit kann beispielsweise eine elektrische Maschine mit integrierter Leistungselektronik bzw. integriertem Inverter und integriertem Getriebe sein. In diesem Fall können die elektrische Maschine, der Inverter und das Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, sodass die Antriebseinheit besonders kompakt ausgebildet ist. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine n-Phasen- Drehfeldmaschine sein, deren n Phasen durch einen vorgeschalteten n-Phasen-lnverter bestromt werden. Beispielsweise kann n = 3 sein, sodass die Drehfeldmaschine als eine Dreiphasendrehfeldmaschine ausgebildet ist und genau ein Phasensystem mit den drei Phasen aufweist. Der Inverter umfasst dann genau eine Schalteinheit aufweisend drei parallel geschaltete Halbbrücken mit Schaltern, wobei jede Halbbrücke mit einer Phase der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist. Auch kann n = 6 sein, sodass die Drehfeldmaschine als eine Sechsphasendrehfeldmaschine ausgebildet ist und zwei Phasensysteme mit jeweils drei Phasen aufweist. Der Inverter kann dann zwei
Schalteinheiten aufweisend jeweils drei parallel geschaltete Halbbrücken mit Schaltern umfassen.
Zum Bestromen der Phasen der elektrischen Maschine werden die Schalter der ersten Schalteinheit nach einem vorbestimmten Schaltmuster von der Steuereinrichtung geschaltet. Die Schalter können Leistungshalbleiter, beispielsweise IGBTs oder
Leistungs-MOSFET s, sein. Aufgrund der im Betrieb der ersten Schalteinheit
entstehenden Verlustleistung wird die erste Schalteinheit gekühlt. Dazu ist die erste Schalteinheit in dem ersten Kühlmittelkreislauf angeordnet und wird durch das in dem ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel, beispielsweise Wasser, durchströmt. So kann für die erste Schalteinheit eine niedrigere Temperatur bereitgestellt werden. Hierdurch kann die elektrische Maschine mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden, während die erste Schalteinheit des Inverters zuverlässig vor einer Überhitzung geschützt wird.
Zum Reduzieren einer Reibung des Getriebes der Antriebseinheit ist das Getriebe in dem Schmiermittelkreislauf angeordnet. Der Schmiermittelkreislauf weist ein Reservoir, beispielsweise eine Ölwanne, auf, aus welcher das Schmiermittel, beispielsweise Öl, zuverlässig zu Reibstellen in dem Getriebe geführt werden kann. Dadurch können Verluste im Getriebe verringert werden. Auch kann das in dem Schmiermittelkreislauf zirkulierende Schmiermittel den Rotor der elektrischen Maschine zur Kühlung
durch strömen, welcher dazu beispielsweise als ein Hohlkörper ausgebildet sein kann. Über den Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher, kurz Wärmetauscher, sind der Schmiermittelkreislauf und der Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt. Somit kann beispielsweise eine Kühlung des Schmiermittels stattfinden, damit dessen Temperatur eine T emperaturobergrenze, beispielsweise 100°C, nicht überschreitet. Dazu kann eine Wärme von dem Schmiermittelkreislauf auf den Kühlmittelkreislauf übertragen werden. Falls aber die Temperatur des Schmiermittels eine T emperaturuntergrenze,
beispielsweise 60°C, unterschreitet, ist die Viskosität des Schmiermittels sehr hoch. Anders ausgedrückt ist das Schmiermittel bei niedrigen Temperaturen sehr zähflüssig und kann somit nur schwer zu den Reibstellen im Getriebe gefördert werden. Daher wird das Schmiermittel zum Verringern der Viskosität erwärmt. Dazu versetzt die
Steuereinrichtung die erste Schalteinheit des Inverters in den verlusterhöhenden
Betriebsmodus, welcher von einem verlustoptimalen Betriebsmodus abweicht. Unter dem verlusterhöhenden Betriebsmodus ist also ein Betriebsmodus zu verstehen, in welchem die Schalteinheit eine höhere Verlustleistung„erzeugt“ als in dem verlustoptimalen Betriebsmodus. Durch den verlusterhöhenden Betriebsmodus wird also bewusst die durch die erste Schalteinheit abgegebene Verlustleistung erhöht.
Diese Verlustleistung wird in Form von Verlustwärme bzw. Abwärme an das die erste Schalteinheit durchströmende Kühlmittel abgegeben, welches sich daraufhin erwärmt. Durch das verlusterhöhende Schaltverhalten wird also das Kühlmittel des ersten
Kühlmittelkreislaufs aktiv erwärmt. Diese Wärme wird dem der ersten Schalteinheit in dem ersten Kühlmittelkreislauf nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführt, welcher die Wärme auf den Schmiermittelkreislauf überträgt. Hierdurch erwärmt sich das in dem Schmiermittelkreislauf zirkulierende Schmiermittel, wodurch dessen Viskosität verringert werden kann.
Durch die verlusterhöhende Ansteuerung der ersten Schalteinheit kann die Viskosität des Schmiermittels verringert werden, ohne dass zusätzlich Komponenten, beispielsweise eine separate Heizung, in der Antriebseinheit bereitgestellt werden müssen. Somit können auf einfache Weise Verluste im Getriebe der Antriebseinheit verringert werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, zum Erhöhen der Verlustleistung Schaltverluste von Schaltern der ersten Schalteinheit zu erhöhen und dazu die Schalter in dem verlusterhöhenden Betriebsmodus mit einer Schaltfrequenz größer als ein vorbestimmter Schaltfrequenz-Schwellwert zu schalten. Bei
Schaltfrequenzen unterhalb des Schwellwerts wird die erste Schalteinheit in dem verlustoptimalen Betriebsmodus betrieben. Zum Erhöhen der Verlustleistung wird die Schaltfrequenz der ersten Schalteinheit erhöht. Auch kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zum Erhöhen der Verlustleistung Schalter der ersten Schalteinheit derart anzusteuern, dass eine durch die erste Schalteinheit an die elektrische Maschine übertragene Leistung größer als ein vorbestimmter Leistungs- Schwellwert ist. Durch Ansteuern der Schalter der ersten Schalteinheit kann auf einfache Weise die durch die erste Schalteinheit abgegebene Verlustleistung zum Verringern der Viskosität des Schmiermittels erhöht werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Kühlmittelkreislauf zusätzlich zum Kühlen des Stators ausgelegt ist, wobei das in dem ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel von der ersten Schalteinheit in Richtung des Stators fließt. Die erste Schalteinheit und der Stator sind also seriell in dem Kühlkreislauf angeordnet. Beispielsweise kann ein
Blechpaket des Stators Kühlkanäle aufweisen, welche von dem Kühlmittel durchströmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlmittel entlang einer Außenseite des Blechpakets zum Kühlen des Stators geleitet werden. Durch das Kühlen des Stators mittels des ersten Kühlmittelkreislaufs und insbesondere durch das Kühlen des Rotors mittels des Schmiermittelkreislaufs kann die elektrische Maschine besonders effizient betrieben werden.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher zum Verhindern einer Zufuhr von erwärmtem Kühlmittel an den Stator zwischen der ersten Schalteinheit und dem Stator in dem ersten Kühlmittelkreislauf angeordnet ist. Hierdurch kann die durch den verlusterhöhenden Betriebsmodus an das Kühlmittel abgegebene Wärme über den Wärmetauscher an das Schmiermittel weitergegeben werden, bevor das Kühlmittel den Stator durchströmt. Somit kann ein unerwünschtes Erwärmen des Stators verhindert werden und damit auch im verlusterhöhenden
Betriebsmodus der ersten Schalteinheit ein effizienter Betrieb der elektrischen Maschine bereitgestellt werden.
Besonders bevorzugt weist der Inverter eine zweite Schalteinheit zum Bestromen eines zweiten Phasensystems des Stators auf. Die elektrische Antriebseinheit weist einen zweiten Kühlmittelkreislauf für die zweite Schalteinheit sowie den Stator auf, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, für die zweite Schalteinheit während des
verlusterhöhenden Betriebsmodus der ersten Schalteinheit einen verlustoptimalen Betriebsmodus bereitzustellen. Insbesondere ist die elektrische Maschine als eine sechsphasige Drehfeldmaschine mit zwei dreiphasigen Phasensystemen ausgebildet und der Inverter ist als ein sechsphasiger Inverter mit zwei Schalteinheiten ausgebildet. Die zwei parallelen Schalteinheiten des Inverters können asymmetrisch in den zwei unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden. Es kann also von der
Steuereinrichtung für die erste Schalteinheit der verlusterhöhende Betriebsmodus bereitgestellt werden, während für die zweite Schalteinheit der verlustoptimale
Betriebsmodus bereitgestellt wird. Beispielsweise kann die Schaltfrequenz der Schalter der ersten Schalteinheit größer sein als die Schaltfrequenz der Schalter der zweiten Schalteinheit. Alternativ oder zusätzlich kann ein über die erste Schalteinheit
übertragender Anteil an Leistung größer sein als ein über die zweite Schalteinheit übertragener Anteil an Leistung.
Außerdem werden die Schalteinheiten von unterschiedlichen, parallelen
Kühlmittelkreisläufen gekühlt. Der erste Kühlmittelkreislauf dient insbesondere nur zum Kühlen der ersten Schalteinheit und zum Transportieren von Verlustwärme zu dem Wärmetauscher. Der zweite Kühlmittelkreislauf ist insbesondere nicht mit dem
Wärmetauscher thermisch gekoppelt und dient zum Kühlen der zweiten Schalteinheit und des Stators. So können während der Verringerung der Viskosität des Schmiermittels durch die erste Schalteinheit die zweite Schalteinheit und der Stator mittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs zuverlässig gekühlt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den verlusterhöhenden Betriebsmodus für die erste Schalteinheit nur bereitzustellen, wenn eine Temperatur des Schmiermittels unterhalb einer vorbestimmten
T emperaturuntergrenze, insbesondere 60°C, liegt. Beispielsweise kann mittels eines T emperatursensors die Temperatur des Schmiermittels erfasst werden und das verlusterhöhende Schaltverhalten für die Schalter bereitgestellt werden, falls die
Temperatur des Schmiermittels unterhalb der T emperaturuntergrenze liegt. Unterhalb dieser T emperaturuntergrenze ist die Viskosität des Schmiermittels nämlich unerwünscht hoch. Diese Temperatur tritt insbesondere beim Startvorgang bzw. Losfahren des Kraftfahrzeugs auf, wenn das Kraftfahrzeug abgestellt war.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die zum Verringern der Viskosität notwendige Verlustleistung in Abhängigkeit von einer
Temperatur des Schmiermittels zu bestimmen und die erste Schalteinheit in dem verlusterhöhenden Betriebsmodus derart anzusteuern, dass sie die notwendige
Verlustleistung bereitstellt. Beispielsweise können bestimmten Temperaturwerten des Schmiermittels verlusterhöhende Schaltfrequenzwerte und/oder Leistungswerte zugeordnet sein. Zum Bereitstellen derjenigen Verlustleistung, welche bei der aktuellen Temperatur des Schmiermittels zum Verringern der Viskosität nötig ist, kann dann von der Steuereinrichtung aus der vorgegebenen Zuordnung der zugehörige
Schaltfrequenzwert und/oder der zugehörige Leistungswert ausgewählt und für die erste Schalteinheit bereitgestellt werden.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit oder eine Ausführungsform davon. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug in Form von einem Personenkraftwagen ausgebildet.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit vorgestellten Au sf ü h ru n g sf orm e n und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit.
Die elektrische Antriebseinheit 1 dient zum Antreiben eines hier nicht gezeigten
Kraftfahrzeugs. Die Antriebseinheit 1 weist eine elektrische Maschine 2, einen der elektrischen Maschine 2 vorgeschalteten Inverter 3 sowie ein Getriebe 4 auf. Die elektrische Maschine 2 weist einen Stator 5 sowie einen bezüglich des Stators 5 drehbar gelagerten Rotor 6 auf. Der Rotor 6 ist über eine Rotorwelle 7 mit dem Getriebe 4 gekoppelt, welches hier über verschiedene Getriebestufen 8 ein Drehmoment des Rotors 6 auf Räder 9 des Kraftfahrzeugs überträgt. Zum Betreiben der elektrischen Maschine 2 werden Phasen U, U‘ V, V‘, W, W‘ des Stators 5 von dem Inverter 3 bestromt. Hier ist die elektrische Maschine 2 als eine sechsphasige Drehfeldmaschine ausgebildet, welche ein erstes Phasensystem bestehend aus den Phasen U, V, W und ein zweites Phasensystem bestehend aus den Phasen U‘, V‘, W‘ aufweist. Der Inverter 3 weist eine zu der Anzahl an Phasen U, U‘ V, V‘, W, W‘ des Stators 5 korrespondierende Anzahl an Strängen bzw. Halbbrücken mit steuerbaren Schaltern auf. Hier weist der Inverter 3 eine erste
Schalteinheit 10 auf, welche mit dem ersten Phasensystem elektrisch verbunden ist, und eine parallele zweite Schalteinheit 11 auf, welche mit dem zweiten Phasensystem elektrisch verbunden ist. Jede Schalteinheit 10, 1 1 weist drei Halbbrücken mit
steuerbaren Schaltern auf. Die Schalter werden dabei zum Bestromen der Phasen U, IT V, V‘, W, W‘ entsprechend vorbestimmter Schaltsequenzen derart angesteuert, dass in der Drehfeldmaschine 2 ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird, welches den Rotor 6 antreibt.
Da im Betrieb des Inverters 3 Verlustleistung in Form von Verlustwärme entsteht, wird der Inverter 3 gekühlt. Dazu weist die Antriebseinheit 1 hier zwei abschnittsweise dargestellte Kühlmittelkreisläufe 12, 13 (unterbrochene Linien) auf. Der erste Kühlmittelkreislauf 12 dient zum Kühlen der ersten Schalteinheit 10, indem ein in dem ersten Kühlmittelkreislauf 12 zirkulierendes Kühlmittel 12 die erste Schalteinheit 10 durchströmt. Der zweite
Kühlmittelkreislauf 13 dient zum Kühlen der zweiten Schalteinheit 11 sowie des Stators 5. Dazu durchströmt ein in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 13 zirkulierendes Kühlmittel die zweite Schalteinheit 1 1 sowie den Stator 5. Das Kühlmittel bzw. Kältemittel kann eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, sein.
Außerdem weist die Antriebseinheit 1 einen Schmiermittelkreislauf 14 (durchgezogene Linien) auf, in welchem ein Schmiermittel 15 zum Schmieren des Getriebes 4 zirkuliert. Das Schmiermittel 15 kann beispielsweise Öl sein und wird aus einem Reservoir 16, beispielsweise einer Ölwanne, über einen Filter 17 dem Getriebe 4 zum Schmieren zugeführt und über einen ersten Rückleitungspfad 18 wieder dem Reservoir 16 zugeführt. Hier wird das Schmiermittel 15 außerdem durch die als Hohlkörper ausgebildete
Rotorwelle 7 zur Kühlung des Rotors 6 geleitet und über einen zweiten Rückleitungspfad 19 wieder in das Reservoir 16 geleitet.
Der Schmiermittelkreislauf 14 und der erste Kühlmittelkreislauf 12 sind über einen Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher 20 thermisch gekoppelt. Im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 2 überträgt der Wärmetauscher 20 eine Wärme des
Schmiermittels 15 auf das Kühlmittel im ersten Kühlmittelkreislauf 12, um das
Schmiermittel 15 zu kühlen. So kann verhindert werden, dass das Schmiermittel 15 eine bestimmte Temperaturobergrenze, beispielsweise 100°C, überschreitet. Beim Losfahren des Kraftfahrzeugs, wenn das Schmiermittel 15 Umgebungstemperatur aufweist, weist das Schmiermittel 15 außerdem eine hohe Viskosität auf. Diese ist unerwünscht, weil sie Verluste im Getriebe 4 zur Folge hat. Daher wird das Schmiermittel 15 erwärmt, falls seine Temperatur eine vorbestimmte Temperaturuntergrenze, insbesondere 60°C, unterschreitet. Diese kann beispielsweise von einem hier nicht gezeigten Temperatursensor im Schmiermittelkreislauf 14 erfasst und einer
Steuereinrichtung 21 der Antriebseinheit 1 bereitgestellt werden. Zum Erwärmen des Schmiermittels 15 wird die erste Schalteinheit 10 derart von der Steuereinrichtung 21 der Antriebseinheit 1 angesteuert, dass ihre Verlustleistung erhöht wird. Die erste
Schalteinheit 10 wird also von der Steuereinrichtung 21 in einem verlusterhöhenden Betriebsmodus betrieben. Die zweite Schalteinheit 1 1 kann währenddessen von der Steuereinrichtung 21 in einem verlustoptimalen Betriebsmodus betrieben werden. Die Schalteinheiten 10, 1 1 können also von der Steuereinrichtung 21 asymmetrisch betrieben werden. Dazu können beispielsweise Schalter der ersten Schalteinheit 10 mit einer Schaltfrequenz betrieben werden, welche einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet und höher ist, als die Schaltfrequenz der zweiten Schalteinheit 1 1. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung 21 die Schalteinheiten 10, 11 derart ansteuern, dass über die erste Schalteinheit 10 mehr Leistung übertragen wird als über die zweite Schalteinheit 1 1.
Durch die erhöhte Verlustleistung der ersten Schalteinheit 10 wird das die erste
Schalteinheit 10 durchströmende Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 12 erwärmt. Dieses erwärmte Kühlmittel wird dem der ersten Schalteinheit 10 seriell nachgeschalteten Wärmetauscher 20 zugeführt. Der Wärmetauscher 20 überträgt die Wärme des
Kühlmittels aus dem ersten Kühlmittelkreislauf 12 auf den Schmiermittelkreislauf 14. Dort erwärmt sich dann das Schmiermittel 15 und die Viskosität des Schmiermittels 15 verringert sich. Somit kann das Schmiermittel 15 zuverlässig zu dem Getriebe 4 zum Verringern von Reibverlusten im Getriebe 4 geführt werden. Bezugszeichenliste
1 Antriebseinheit
2 Elektrische Maschine
3 Inverter
4 Getriebe
5 Stator
6 Rotor
7 Rotorwelle
8 Getriebestufen
9 Räder
10 Erste Schalteinheit 1 1 Zweite Schalteinheit 12 Erster Kühlmittelkreislauf
13 Zweiter Kühlmittelkreislauf
14 Schmiermittelkreislauf
15 Schmiermittel
16 Reservoir
17 Filter
18 Erster Rückleitungspfad
19 Zweiter Rückleitungspfad
20 Wärmetauscher
21 Steuereinrichtung
U, UW, V‘, W, W‘ Phasen

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Antriebseinheit (1 ) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend
- eine elektrische Maschine (2) mit einem Stator (5) und einem Rotor (6),
- einen der elektrischen Maschine (2) vorgeschalteten Inverter (3) mit einer ersten Schalteinheit (10) zum Bestromen eines ersten Phasensystems (U, V, W) des Stators
(5),
- ein mit dem Rotor (6) zur Drehmomentübertragung verbundenes Getriebe (4),
- einen Schmiermittelkreislauf (14) zum Schmieren des Getriebes (4) und/oder zum Kühlen des Rotors (5),
- einen ersten Kühlmittelkreislauf (12) zum Kühlen der ersten Schalteinheit (10),
- einen Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher (20) zur thermischen Kopplung des ersten Kühlmittelkreislaufs (12) und des Schmiermittelkreislaufs (14),
gekennzeichnet durch
eine Steuereinrichtung (21 ), welche dazu ausgelegt ist, einen verlusterhöhenden Betriebsmodus für die erste Schalteinheit (10) zum Erhöhen einer ein Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs (12) erwärmenden Verlustleistung der ersten Schalteinheit (10) bereitzustellen, wobei der Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher (20) dazu ausgelegt ist, eine aus der erhöhten Verlustleitung resultierende Wärme des erwärmten Kühlmittels zum Verringern einer Viskosität eines Schmiermittels (15) des Schmiermittelkreislaufs (14) auf den Schmiermittelkreislauf (14) zu übertragen.
2. Elektrische Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (21 ) dazu ausgelegt ist, zum Erhöhen der Verlustleistung Schaltverluste von Schaltern der ersten Schalteinheit (10) zu erhöhen und dazu die Schalter in dem verlusterhöhenden Betriebsmodus mit einer Schaltfrequenz größer als ein vorbestimmter Schaltfrequenz-Schwellwert zu schalten.
3. Elektrische Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (21 ) dazu ausgelegt ist, zum Erhöhen der Verlustleistung Schalter der ersten Schalteinheit (10) derart anzusteuern, dass eine durch die erste Schalteinheit (10) an die elektrische Maschine (2) übertragene Leistung größer als ein vorbestimmter Leistungs-Schwellwert ist.
4. Elektrische Antriebseinheit (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kühlmittelkreislauf (12) zum Kühlen des Stators (5) ausgelegt ist, wobei das in dem ersten Kühlmittelkreislauf (12) zirkulierende Kühlmittel von der ersten
Schalteinheit (10) in Richtung des Stators (5) fließt.
5. Elektrische Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmiermittel-Kühlmittel-Wärmetauscher (20) zum Verhindern einer Zufuhr von erwärmtem Kühlmittel an den Stator (5) zwischen der ersten Schalteinheit (10) und dem Stator (5) in dem ersten Kühlmittelkreislauf (20) angeordnet ist.
6. Elektrische Antriebseinheit (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Inverter (3) eine zweite Schalteinheit (1 1 ) zum Bestromen eines zweiten
Phasensystems (LT, V‘, W‘) des Stators (5) aufweist und die elektrische
Antriebseinheit (1 ) einen zweiten Kühlmittelkreislauf (13) für die zweite Schalteinheit (11 ) sowie den Stator (5) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (21 ) dazu ausgelegt ist, für die zweite Schalteinheit (11 ) während des verlusterhöhenden Betriebsmodus der ersten Schalteinheit (10) einen verlustoptimalen Betriebsmodus bereitzustellen.
7. Elektrische Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Maschine (2) als eine sechsphasige Drehfeldmaschine mit zwei dreiphasigen Phasensystemen ausgebildet ist und der Inverter (3) als ein
sechsphasiger Inverter mit den zwei Schalteinheiten (10, 11 ) ausgebildet ist.
8. Elektrische Antriebseinheit (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (21 ) dazu ausgelegt ist, den verlusterhöhenden Betriebsmodus für die erste Schalteinheit (10) nur bereitzustellen, wenn eine Temperatur des Schmiermittels (15) unterhalb einer vorbestimmten T emperaturuntergrenze, insbesondere 60°C, liegt
9. Elektrische Antriebseinheit (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (21 ) dazu ausgelegt ist, die zum Verringern der Viskosität notwendige Verlustleistung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Schmiermittels (15) zu bestimmen und die ersten Schalteinheit (10) in dem verlusterhöhenden Betriebsmodus derart anzusteuern, dass sie die notwendige Verlustleistung bereitstellt.
10. Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit (1 ) nach einem der vorgehenden Ansprüche.
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