DE102014103471A1

DE102014103471A1 - Elektrischer Aktuator

Info

Publication number: DE102014103471A1
Application number: DE102014103471.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Hinrich; Oliver Fischer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-09-17
Also published as: JP2015177737A; CN104912964A; US20150260235A1; JP6087967B2; CN104912964B; US9989105B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Aktuator (32) für ein Kraftfahrzeug (10), insbesondere für eine Kupplungsanordnung (26, 28, 52) eines Kraftfahrzeugs (10), mit einer elektrischen Antriebseinheit (40) zum Bereitstellen von mechanischer Antriebskraft, einer elektrischen Steuereinheit (38), die mit der elektrischen Antriebseinheit (40) verbunden ist, um die Antriebseinheit (40) zu steuern, und einem Kühlkörper (42), der mit elektrischen Komponenten der Antriebseinheit (40) und/oder der Steuereinheit (38) thermisch verbunden ist, wobei dem Kühlkörper (42) eine Kühlmittelleitung (44) zugeordnet ist, durch die hindurch ein Kühlmittel führbar ist, um Wärme von den elektrischen Komponenten abzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Aktuator für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Kupplungsanordnung eines Kraftfahrzeugs, mit einer elektrischen Antriebseinheit zum Bereitstellen von mechanischer Antriebskraft, einer elektrischen Steuereinheit, die mit der elektrischen Antriebseinheit verbunden ist, um die Antriebseinheit zu steuern und mit einem Kühlkörper, der mit elektrischen Komponenten der Antriebseinheit und/oder der Steuereinheit thermisch verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Kupplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, insbesondere für einen Hybridantrieb, mit einer Antriebsmaschine zur Bereitstellung von Antriebsleistung, die mit einer Kupplungsanordnung zur Übertragung der Antriebsleistung verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlmittelkreislauf und mit einem Antriebsstrang zur Bereitstellung von Antriebsleistung.
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugantriebstechnik ist es allgemein bekannt, den Antriebsmotor über eine Reibkupplung mit einem Abtrieb zu verbinden, um den Antriebsmotor entsprechend bedarfsgerecht mit dem Abtrieb zu koppeln bzw. von dem Abtrieb zu entkoppeln. Insbesondere ist es in der Hybridantriebstechnik allgemein bekannt, die Verbrennungskraftmaschine mittels einer Trennkupplung von dem Hybridmodul bzw. dem elektrischen Antrieb zu entkoppeln, um beispielsweise einen rein elektrischen Antrieb zu verwirklichen.
Derartige Trennkupplungen sind üblicherweise als Reibkupplungen ausgebildet und werden mittels eines elektrischen Aktuators betätigt bzw. entsprechend geöffnet oder geschlossen. Der elektrische Aktuator weist üblicherweise einen Elektromotor auf, der über eine Spindel eine Anpresskraft auf die Kupplung ausübt und der mittels einer Steuereinheit elektrisch angesteuert bzw. bestromt wird, wobei die Kupplung entweder als Trockenkupplung oder als Nasskupplung ausgebildet ist. Beim Betrieb des elektrischen Aktuators entsteht Wärme, welche abgeführt werden muss.
Die elektrischen Aktuatoren der Kupplungen befinden sich im Kraftfahrzeug üblicherweise an Einbauorten, an denen eine erhöhte Umgebungstemperatur vorherrscht, so dass das Abführen der Verlustleistung der elektrischen Antriebseinheit und der elektrischen Steuereinheit erschwert ist. Ferner steigt die Verlustleistung in der elektrischen Antriebseinheit und in der elektrischen Steuereinheit durch zunehmende Verkleinerung der Fahrzeugkomponenten immer mehr an, so dass die elektrischen Komponenten der elektrischen Aktuatoren bei erhöhten Betriebstemperaturen betrieben werden müssen.
Üblicherweise wird die Betriebstemperatur von Reibkupplungen erfasst und über ein Kühlungsöl reduziert, wie es beispielsweise aus der DE 10 2008 026 553 A1 bekannt ist. Nachteilig dabei ist es, dass die Betriebstemperatur der elektrischen Komponenten der Aktuatorik nicht hinreichend gekühlt wird, so dass je nach Betriebstemperatur eine Deaktivierung notwendig ist oder die elektrischen Komponenten ausfallen oder zerstört werden können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten elektrischen Aktuator bereitzustellen, der auch bei erhöhten Umgebungstemperaturen zuverlässig und dauerhaft betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird bei dem elektrischen Aktuator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass dem Kühlkörper eine Kühlmittelleitung zugeordnet ist, durch die hindurch ein Kühlmittel führbar ist, um Wärme von den elektrischen Komponenten abzuführen.
Diese Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Kupplungsanordnung mit einem elektrischen Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung.
Diese Aufgabe wird ferner bei dem Kraftfahrzeugantriebsstrang der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Kupplungsanordnung ein elektrischer Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, um die Kupplungsanordnung zu betätigen.
Diese Aufgabe wird schließlich bei dem eingangs genannten Kraftfahrzeug dadurch gelöst, dass der Kühlmittelkreislauf mit der Kühlmittelleitung des Kühlkörpers des elektrischen Aktuators verbunden ist, um der Kühlmittelleitung Kühlmittel zuzuführen.
Dadurch, dass dem Kühlkörper eine Kühlmittelleitung zugeordnet ist, durch die hindurch ein Kühlmittel führbar ist, können die elektrischen Komponenten der elektrischen Antriebseinheit und der elektrischen Steuereinheit unabhängig von der Umgebungstemperatur effektiv auf eine optimale Betriebstemperatur heruntergekühlt werden, so dass ein optimaler Betrieb der elektrischen Komponenten möglich ist und die Wahrscheinlichkeit einer thermisch bedingten Deaktivierung bzw. eines thermisch bedingten Ausfalls oder einer thermisch bedingten Zerstörung reduziert werden kann. Folglich kann der elektrische Aktuator auch bei hohen Umgebungstemperaturen zuverlässig arbeiten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Kühlkörper ein Abschirmelement zugeordnet, das den Kühlkörper gegenüber der Umgebung abschirmt.
Dadurch kann der Einfluss der Umgebungstemperatur auf den Kühlkörper reduziert werden, wodurch die Kühlung der elektrischen Komponenten effizienter wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Abschirmelement eine Absorptionsschicht aufweist, um eine Erwärmung des Kühlkörpers durch auftretende Strahlungswärme zu reduzieren.
Dadurch kann der Einfluss von heißen Komponenten in der Umgebung des Kühlkörpers durch Wärmestrahlung reduziert werden, wodurch die Kühlung der elektrischen Komponenten noch effizienter wird.
Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn der Kühlkörper zwischen dem Abschirmelement und den elektrischen Komponenten angeordnet ist.
Dadurch kann der Kühlkörper mit geringem technischen Aufwand an den elektrischen Komponenten montiert werden und mit den elektrischen Komponenten in thermischen Kontakt gebracht werden und gleichzeitig effektiv von heißen Komponenten der Umgebung abgeschirmt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Kühlkörper in der elektrischen Antriebseinheit und/oder in der Steuereinheit angeordnet ist.
Dadurch können die elektrischen Komponenten der Antriebseinheit und der Steuereinheit effektiv und direkt gekühlt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der elektrische Aktuator ein Gehäuse aufweist, in dem die elektrische Antriebseinheit, die elektrische Steuereinheit und der Kühlkörper aufgenommen sind.
Dadurch kann eine kompakte Bauform des elektrischen Aktuators erzielt werden, die mit geringem Aufwand in einem Kraftfahrzeug montiert werden kann und gleichzeitig gegenüber der Umgebungstemperatur abgeschirmt ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn dem Kühlkörper ein Kühlmittelkreislauf zugeordnet ist, um das Kühlmittel durch die Kühlmittelleitung hindurchzuführen.
Dadurch ist eine effektive Kühlung und ein effektives Abführen der Abwärme der elektrischen Komponenten möglich, da durch den Kühlmittelkreislauf die Abwärme an einen entfernten kühleren Ort transportiert werden kann.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn ein vorhandener Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs mit der Kühlmittelleitung verbunden wird.
Dadurch kann die vorhandene Kühlleistung im Kraftfahrzeug effektiv genutzt werden und die elektrischen Komponenten des elektrischen Aktuators auf eine optimale Betriebstemperatur heruntergekühlt werden.
Bei dem Kraftfahrzeugantriebsstrang ist es besonders bevorzugt, wenn die Kupplungsanordnung zwischen der Antriebsmaschine und einem Elektromotor angeordnet ist, um die Antriebsmaschine von dem Elektromotor zu trennen und einen rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.
Dadurch kann ein elektrischer Aktuator in Hybridfahrzeugen bei hohen Umgebungstemperaturen zuverlässig betrieben werden.
Insgesamt kann durch die vorliegende Erfindung eine effektive Kühlung des elektrischen Aktuators bereitgestellt werden, die die Zuverlässigkeit der elektrischen Komponenten des Aktuators erhöht und gleichzeitig einen Einbauort in direkter Nachbarschaft von sehr heißen Komponenten des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit einem Hybridantriebsstrang und elektrisch betätigbaren Kupplungen; und
2 eine schematische Schnittansicht eines elektrischen Aktuators für eine Kupplungsanordnung mit einer Fluidkühlung.
In 1 ist ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 12 auf, der im vorliegenden Fall eine elektrische Maschine 14 und einen Verbrennungsmotor 16 zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Der Antriebsstrang 12 dient zum Antreiben von angetriebenen Rädern 18L, 18R des Kraftfahrzeugs 10 und ist in der hier dargestellten Form als Parallelhybrid-Antriebsstrang ausgebildet.
Der Verbrennungsmotor 16 ist über eine Kurbelwelle 20 mit der elektrischen Maschine 14 verbunden bzw. verbindbar, wobei der Verbrennungsmotor 16 und die elektrische Maschine 14 an einer Abtriebswelle 22 ein Drehmoment t bereitstellen, die mit einer einstellbaren Drehzahl dreht. Die Abtriebswelle 22 ist mit einer Getriebeeinheit 24 verbunden bzw. verbindbar, um das Drehmoment t auf die angetriebenen Räder 18R, 18L zu übertragen. Die Kurbelwelle 20 und die Abtriebswelle 22 weisen im vorliegenden Fall jeweils eine Kupplung 26, 28 auf, um den Verbrennungsmotor 16 mit der elektrischen Maschine 14 bzw. die elektrische Maschine 14 mit der Getriebeeinheit 24 zu verbinden. Der elektrischen Maschine 14 ist eine Motorsteuereinheit 30 zugeordnet, die die elektrische Maschine 14 steuert bzw. bestromt und entsprechend zwischen motorischem und generatorischem Betrieb umschaltet.
Den Kupplungen 26, 28 ist jeweils ein elektrischer Aktuator 32 zugeordnet, der jeweils eine elektrische Antriebseinheit zum Bereitstellen einer mechanischen Antriebskraft und eine elektrische Steuereinheit zum Steuern der elektrischen Antriebseinheit aufweist. Mittels der Antriebskraft der elektrischen Aktuatoren 32 werden die Kupplungen 26, 28 mechanisch geöffnet bzw. geschlossen, um entsprechend den Verbrennungsmotor 16 mit der elektrischen Maschine 14 oder die elektrische Maschine 14 mit der Getriebeeinheit 24 zu verbinden. Die elektrischen Aktuatoren 32 weisen jeweils einen Kühlkörper auf, der mit einer Kühlmittelleitung 34 verbunden ist, um die elektrischen Komponenten der elektrischen Antriebseinheit und der elektrischen Steuereinheit zu kühlen. Die Kühlmittelleitung 34 ist mit einem Kühler 36 des Kraftfahrzeugs 10 verbunden, um entsprechend ein Kühlmittel dem Kühlkörper der elektrischen Aktuatoren 32 zuzuführen. Dadurch können die elektrischen Komponenten der elektrischen Aktuatoren 32 effektiv gekühlt werden und bei einer optimalen Betriebstemperatur betrieben werden.
In 2 ist eine schematische Schnittansicht eines der elektrischen Aktuatoren 32 dargestellt. Der elektrische Aktuator 32 weist eine elektrische Steuereinheit 38 und eine elektrische Antriebseinheit 40 auf. Die elektrische Antriebseinheit 40 ist im Allgemeinen als Elektromotor ausgebildet und kann über eine nicht näher dargestellte Spindel eine Linearbewegung zur Betätigung der Kupplungen 26, 28 bereitstellen. Die elektrische Steuereinheit 38 dient im Allgemeinen dazu, die elektrische Antriebseinheit 40 anzusteuern und zu bestromen und dadurch die von der Antriebseinheit 40 bereitgestellte Antriebskraft zu steuern. Auf diese Weise können die Kupplungen 26, 28 geöffnet oder geschlossen werden.
Die elektrische Steuereinheit 38 weist zur Bestromung der elektrischen Antriebseinheit 40 im Allgemeinen Leistungsschalter bzw. Leistungshalbleiter auf, die sich im Betrieb entsprechend erwärmen und eine thermische Verlustleistung abgeben.
Der elektrische Aktuator 32 weist im Allgemeinen einen Kühlkörper 42 auf, der den elektrischen Komponenten der elektrischen Steuereinheit 38 und/oder den elektrischen Komponenten der elektrischen Antriebseinheit 40 zugeordnet ist, um die in diesen elektrischen Komponenten entstehende thermische Verlustleistung abzuführen. Der Kühlkörper 42 weist eine Kühlmittelleitung 44 auf, die durch den Kühlkörper 42 hindurchgeführt ist. Die Kühlmittelleitung 44 ist an einen Kühlkreislauf 46 angeschlossen, der die Kühlmittelleitung mit Kühlmittel versorgt und das Kühlmittel durch die Kühlmittelleitung 44 hindurchführt. Der Kühlkreislauf 46 weist einen Kühler 48 auf, der entsprechend das Kühlmittel kühlt und die in dem Kühlmittel mitgeführte thermische Energie an die Umgebung abführt. Der Kühlkreislauf 46 weist ferner eine Kühlmittelpumpe 50 auf, um das Kühlmittel in der Kühlmittelleitung 44 umzupumpen und entsprechend dem Kühlkörper 42 zuzuführen. Der Kühlkreislauf 46 ist vorzugsweise der Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs 10, der üblicherweise den Verbrennungsmotor 16 kühlt. Dadurch kann der vorhandene Kühlkreislauf 46 ferner für die Kühlung der elektrischen Komponenten des elektrischen Aktuators 32 genutzt werden.
Der elektrische Aktuator 32 ist einer Reibkupplung 52 zugeordnet, die in 2 lediglich schematisch angedeutet ist. Der elektrische Aktuator 32 ist dazu ausgebildet, die Antriebskraft, die durch die elektrische Antriebseinheit 40 erzeugt wird, auf die Reibkupplung 52 zu übertragen und diese entsprechend zu öffnen bzw. zu schließen.
Dem Kühlkörper 42 ist ferner ein Abschirmelement 54 zugeordnet, um den Kühlkörper 42 von einer heißen Umgebung bzw. heißen Komponenten im Kraftfahrzeug 10 abzuschirmen, die in 2 allgemein mit 56 bezeichnet sind. Das Abschirmelement 54 weist eine Absorptionsschicht 58 auf, die dazu ausgebildet ist, die Wärmeübertragung insbesondere durch Wärmestrahlung auf das Abschirmelement 54 zu reduzieren. Die Absorptionsschicht 58 kann insbesondere eine Beschichtung aufweisen, die Wärmestrahlung im erhöhten Maße reflektiert und somit die Wärmeübertragung auf den Kühlkörper 42 reduziert.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Kühlkörper 42 zwischen dem Abschirmelement 54 und der elektrischen Steuereinheit 38 angeordnet. Es versteht sich, dass der Kühlkörper 42 auch innerhalb der elektrischen Steuereinheit 38, innerhalb der elektrischen Antriebseinheit 40 oder zwischen der elektrischen Steuereinheit 38 und der elektrischen Antriebseinheit 40 angeordnet sein kann, um die Kühlung zu optimieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008026553 A1 [0008]

Claims

Elektrischer Aktuator (32) für ein Kraftfahrzeug (10), insbesondere für eine Kupplungsanordnung (26, 28, 52) eines Kraftfahrzeugs (10), mit: – einer elektrischen Antriebseinheit (40) zum Bereitstellen von mechanischer Antriebskraft, – einer elektrischen Steuereinheit (38), die mit der elektrischen Antriebseinheit (40) verbunden ist, um die Antriebseinheit zu steuern, und – einem Kühlkörper (42), der mit elektrischen Komponenten der Antriebseinheit (40) und/oder der Steuereinheit (38) thermisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlkörper (42) eine Kühlmittelleitung (44) zugeordnet ist, durch die hindurch ein Kühlmittel führbar ist, um Wärme von den elektrischen Komponenten abzuführen.
Elektrischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlkörper (42) ein Abschirmelement (54) zugeordnet ist, das den Kühlkörper (42) thermisch gegenüber der Umgebung abschirmt.
Elektrischer Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (54) eine Absorptionsschicht (58) aufweist, um eine Erwärmung des Kühlkörpers (42) durch Wärmestrahlung zu reduzieren.
Elektrischer Aktuator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (42) zwischen dem Abschirmelement (54) und den elektrischen Komponenten angeordnet ist.
Elektrischer Aktuator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (42) in der Antriebseinheit (40) und/oder in der Steuereinheit (38) angeordnet ist.
Elektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Aktuator (32) ein Gehäuse aufweist, in dem die elektrische Antriebseinheit (40), die elektrische Steuereinheit (38) und der Kühlkörper (42) aufgenommen sind.
Elektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlkörper (42) ein Kühlmittelkreislauf (46) zugeordnet ist, um das Kühlmittel durch die Kühlmittelleitung (44) hindurchzuführen.
Kupplungsanordnung (26, 28), insbesondere für einen Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit einem elektrischen Aktuator (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Bereitstellen einer Antriebskraft zur Betätigung der Kupplungsanordnung (26, 28).
Kraftfahrzeugantriebsstrang (12), insbesondere für einen Hybridantrieb, mit einer Antriebsmaschine (14, 16) zur Bereitstellung von Antriebsleistung, die mit einer Kupplungsanordnung (26, 28) verbunden ist zur Übertragung der Antriebsleistung, wobei der Kupplungsanordnung (26, 28) ein elektrischer Aktuator (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zugeordnet ist, um die Kupplungsanordnung (26, 28) zu betätigen.
Kraftfahrzeug mit einem Kühlmittelkreislauf (46) und mit einem Antriebsstrang (12) nach Anspruch 9, wobei der Kühlmittelkreislauf (46) mit der Kühlmittelleitung (44) des Kühlkörpers (42) verbunden ist, um der Kühlmittelleitung (44) Kühlmittel zuzuführen.