JP2019502347A - 電動式の駆動システム、好ましくは車両用の電動式の駆動システム用の熱管理システム - Google Patents

Abstract

本発明は、電動式の駆動システム、好ましくは車両用の電動式の駆動システム用の熱管理システムであって、電動式の駆動システムは、電動モータ（１５）とパワーエレクトロニクス（７）とを有し、電動モータ（１５）とパワーエレクトロニクス（７）とは、１つの冷却回路内で接続されており、冷却回路内を循環する冷却媒体により冷却され、冷却媒体は、冷却媒体ポンプ（１）により循環される、熱管理システムに関する。可変の熱管理システムにおいて、電動モータ（１５）およびパワーエレクトロニクス（７）は、それぞれ１つの冷却ユニット（３，４）と空間的に接しており、電動モータ（１５）およびパワーエレクトロニクス（７）の冷却ユニット（３，４）は、互いに並列に配置されており、冷却媒体ポンプ（１）と冷却ユニット（３，４）との間には、電気式に制御される冷却媒体分配器（２）が配置されており、冷却媒体分配器（２）は、２つの出口（Ｂ１，Ｂ２）を有し、それぞれ一方の出口（Ｂ１）は、電動モータ（１５）の冷却ユニット（３）またはパワーエレクトロニクス（７）の冷却ユニット（４）に通じ、かつ冷却ユニット（３，４）の出口（Ｃ１，Ｃ２）は、１つの通路（５）にまとめられ、冷却媒体ポンプ（１）に戻されている。

Description

本発明は、電動式の駆動システム、好ましくは車両用の電動式の駆動システム用の熱管理システム（Thermomanagementsystem）であって、電動式の駆動システムは、電動モータとパワーエレクトロニクスとを有し、電動モータとパワーエレクトロニクスとは、１つの冷却回路内で接続されており、冷却回路内を循環する冷却媒体により冷却され、冷却媒体は、冷却媒体ポンプにより循環される、熱管理システムに関する。

独国特許出願公開第１０２００４００６７３０号明細書または独国特許出願公開第１０２０１１０８５７５０号明細書において、クラッチの損傷を検知する方法が公知であり、これらの公知の方法では、温度超過時に保護措置を講じるべく、特にクラッチ内の温度上昇を観察する。クラッチを含むアクチュエータシステムは、電動モータと、電動モータの動作を制御するパワーエレクトロニクスとを含み、特にパワーエレクトロニクスを冷却する冷却媒体回路を有している。冷却媒体回路は、パワー出力段の冷却カバー内に組み込まれており、冷却媒体回路は、パワーエレクトロニクスの複数のパワー出力段を互いに独立的に冷却するように構成されている。このことは、冷却回路の複数の並列の流路への振り分けにより実施される。

提案されている冷却システムは、この場合、冷却カバー内で固定的に構成されており、その結果、アクチュエータシステムのパワーモジュールその他の構成部材の冷却は変更することができず、可変でない。

本発明の根底にある課題は、冷却媒体が個々の構成部材を可変に冷却することを可能にする電動式の駆動システム用の熱管理システムを提供することである。

上記課題は、本発明により、電動モータおよびパワーエレクトロニクスが、それぞれ１つの冷却ユニットと空間的に接しており、電動モータおよびパワーエレクトロニクスの冷却ユニットは、互いに並列に配置されており、冷却媒体ポンプと冷却ユニットとの間には、電気式に制御される冷却媒体分配器が配置されており、冷却媒体分配器は、２つの出口を有し、それぞれ一方の出口は、電動モータの冷却ユニットまたはパワーエレクトロニクスの冷却ユニットに通じ、かつ冷却ユニットの出口は、１つの通路にまとめられ、冷却媒体ポンプに戻されていることによって解決される。このことは、並列の枝に分岐された冷却媒体案内により、電動式の駆動システムの連続定格が、パワーエレクトロニクスおよび電動モータの選択的な冷却によって高められるという利点を有している。コンポーネントとしてのパワーエレクトロニクスおよび電動モータの、温度に関する運転点適合により、部分負荷点における電動式の駆動システムのより良好な全体効率が達成される。さらに、より高い温度差を提供するために、コンポーネントとしてのパワーエレクトロニクスおよび電動モータの熱予調節（thermische Vorkonditionierung）により、電動式の駆動システムの短時間定格を高めることが可能である。パワーエレクトロニクスおよび電動モータの必要に応じた冷却により、コンポーネントの寿命が延びる。この熱管理システムは、このように装備した電動式の駆動システムを組み込む際にも、利点を提供する。なぜなら、この電動式の駆動システムは、好ましくは、冷却媒体ポンプからの１つの冷却媒体入口と、冷却媒体ポンプへの１つの冷却媒体出口しか有していないからである。このことは、車両メーカでの組み込みの手間を削減する。損失熱を車両の内室内で利用することで、車両内室の空調が可能であり、このことは、車両内の快適性の面での利点につながる。

有利には、上述の出口の上流には、冷却媒体分配器内に、冷却媒体の体積流量を電動モータの冷却ユニットおよび／またはパワーエレクトロニクスの冷却ユニットへと制御する電気式に操作可能な弁が接続されている。このような電気式に操作可能な弁により、体積流量を必要に応じてパワーエレクトロニクスと電動モータ冷却との間で制御することが可能である。

一形態では、電気式に操作可能な弁は、無段階に制御な機械式の絞りとして形成されている。この機械式の絞りは、連続的に調整可能であるため、体積流量は、各出口において任意に変更される。

一実施の形態では、弁の制御範囲は、出口毎に冷却媒体の体積流量の０〜１００％である。これにより、全体積流量が、各一方の出口のみを通して電動モータの冷却ユニットまたはパワーエレクトロニクスの冷却ユニットへ流れ、他方の出口では冷却媒体が流れないことを保証することができる。

一形態では、体積流量の制御ストラテジが、パワーエレクトロニクスの演算ユニット内にソフトウェアとして格納されており、冷却媒体分配器の弁を制御する電気的な出力段が、パワーエレクトロニクス内に配置されている。これにより、弁の動作を制御するために、パワーエレクトロニクス自体内にある演算技術が利用される。これは、別の電子ユニットを省略することができるため、極めて低コストの解決手段である。

一変形形態では、パワーエレクトロニクスの冷却ユニットの出口または電動モータの冷却ユニットの出口に、切り換え弁が配置されており、切り換え弁は、一方では、冷却媒体ポンプに接続されており、他方では、電動モータの冷却ユニットの入口またはパワーエレクトロニクスの冷却ユニットの入口に導かれている。これにより、必要なときにパワーエレクトロニクスおよび電動モータの冷却要素の並列接続から直列接続を極めて容易に実現することができる。

有利には、切り換え弁の動作は、電気機械式に制御可能である。切り換え弁の動作制御は、この場合もパワーエレクトロニクスを介して実施され、これは特に低コストに実現される。

一形態では、パワーエレクトロニクスおよび電動モータの冷却ユニットの、合流される出口に、車両機器の別の冷却ユニットへの冷却媒体バイパスを開放または閉鎖する多方向制御弁が配置されている。これにより、提案する熱管理システムは、問題なく拡張可能であり、その結果、車両の別のコンポーネント、例えば高電圧バッテリがともに接続され、これにより、これらのコンポーネントがより迅速に最適な運転温度にもたらされることになる。

一実施の形態では、冷却媒体ポンプは、圧力制御される。このことは、熱管理システムの様々なシステム状態における圧力損失を補償するために必要である。このような様々な圧力損失は、冷却回路の直列の運転形式から並列の運転形式への切り換え時または反対に並列の運転形式から直列の運転形式への切り換え時に生じる。全体システム損失を低減すべく、様々なシステム状態において、冷却媒体ポンプのポンプ出力を低減することができる。

本発明の一形態は、パワーエレクトロニクスと電動モータとを備え、熱管理システムが組み込まれたハイブリッドモジュールに関する。ハイブリッドモジュールでは、熱管理システムが、本件特許出願に記載される特徴の少なくとも１つにしたがって形成されている。

本発明は、多数の実施の形態を許容する。これらの実施の形態のうちの幾つかについて、図面に示した各図を参照しながら詳しく説明する。

本発明に係る熱管理システムの第１の実施例を示す図である。 本発明に係る熱管理システムの第２の実施例を示す図である。 本発明に係る熱管理システムの第３の実施例を示す図である。 電動式の駆動システムのトルク／回転数を示すグラフである。 本発明に係るハイブリッドモジュールの一実施例を示す図である。

同じ符号は、同じ特徴を指している。

図１は、本発明に係る熱管理システムの第１の実施例を示しており、本発明に係る熱管理システムは、例えば電動式の駆動システムまたは電動式のアクチュエータにおいて使用される。図１は、制御可能な冷却媒体ポンプ１を有する冷却媒体回路を示しており、冷却媒体ポンプ１は、体積流量分割器２として構成される冷却媒体分配器に通じている。体積流量分割器２は、１つの入口Ａと、２つの出口Ｂ１およびＢ２とを有している。出口Ｂ１は、電動モータの冷却ユニット３に通じている一方、出口Ｂ２は、パワーエレクトロニクスの冷却ユニット４に通じている。電動モータの冷却ユニット３の出口Ｃ１と、パワーエレクトロニクスの冷却ユニット４の出口Ｃ２とは、合流され、その結果、１つの通路５のみが、車両冷却器１６を介して冷却媒体ポンプ１に戻される。冷却ユニット３，４は、パワーエレクトロニクスまたは電動モータから放出される熱を受容する一方、車両冷却器１６は、損失熱を周囲に放出する。

体積流量分割器２内には、冷却媒体の体積流量を必要に応じてパワーエレクトロニクスの冷却ユニット４と電動モータの冷却ユニット３との間で制御する多方向制御弁６が配置されている。その際、多方向制御弁６は、無段階に制御可能な電気機械式の弁として形成されている。体積流量は、多方向制御弁６内で機械式の絞りにより調整され、制御範囲は、体積流量分配器２の出口Ｂ１，Ｂ２毎に０〜１００％の体積流量に及ぶ。このことは、出口Ｂ１，Ｂ２の遮断を可能にし、その結果、冷却媒体の全体積流量が、出口Ｂ１，Ｂ２の一方のみを介して導かれ、パワーエレクトロニクスのみまたは電動モータのみを冷却することができる。

その際、体積流量分割器２の電気式の動作制御は、パワーエレクトロニクス７を介して行われ、パワーエレクトロニクス７において、演算ユニット８のソフトウェア内には、熱管理システム用の制御ストラテジが収められている。多方向制御弁２を制御すべく、電気的な出力段９だけがパワーエレクトロニクス７内に付加的に必要である（図５）。この場合、体積流量の制御は、電動式のパワートレーンの目下の負荷点に応じて実施される。その際、ある種の予測アルゴリズム、つまり、熱管理システムの今後の挙動と、調整パラメータ、例えば車両の運転モード（ノーマル、エコまたはスポーツ）とが考慮される。

図２は、本発明に係る熱管理システムの第２の実施例を示しており、第２の実施例では、図１に示した態様に対して付加的に、切り換え弁１０が冷却回路内に配置されている。切り換え弁１０は、パワーエレクトロニクスの冷却ユニット４の出口Ｃ２に接続されており、３つのポートが存在し２つの切り換え状態を実現することができる３ポート２位置弁として構成されている。切り換え状態は、同じく電気機械式に実現される。この場合、切り換え弁１０の出口Ｔは、電動モータの冷却ユニット３の入口Ｄ１に通じている。他方、切り換え弁１０の出口Ｐは、電動モータの冷却ユニット３の出口Ｃ１とともに通路５に接続され、冷却媒体ポンプ１に戻されている。この構成に基づいて、冷却ユニット３，４の並列接続から直列の接続が提供される。

しかし、これとは異なり、付加的な切り換え弁１０が、電動モータの冷却ユニット３の出口Ｃ１に配置されていて、ポートＴが、パワーエレクトロニクスの冷却ユニット４の入口Ｄ２へと導かれてもよい。

図３は、本発明に係る熱管理システムの別の一実施例を示しており、本実施例により別の車両機器の熱調節（thermische Konditionierung）が可能である。切り換え弁１０の出口Ｐと、電動モータの冷却ユニット３の出口Ｃ１とが合流する通路５に、別の切り換え弁１１が配置されている。この別の切り換え弁１１の出口Ｔは、車両機器、例えば高電圧バッテリ用の冷却ユニット１２に通じ、車両機器の冷却ユニット１２の出口Ｇは、切り換え弁１１の出口Ｐと合流されており、再び冷却媒体ポンプ１に通じている。

あるいは、熱管理システムは、車両の内室の暖房用の熱交換ユニットにより拡張されてもよい。

図４は、上述の熱管理システムとともに運転される電動式の駆動ユニットのトルクおよび回転数の原則的な推移を示すグラフである。このグラフからは、提供される冷却媒体の全体積流量をどのように可変に分割すれば、システム全体にとって最適であるかが見て取れる。領域Ｉでは、パワーエレクトロニクス内に設けられたコンバータに関する大きな熱負荷が生じるので、この領域では、つまり、電動式の駆動ユニットの回転数が小さいとき、パワーエレクトロニクスの強い冷却が有意義である。電動式の駆動ユニットの回転数がより高くなり、トルクが減少すると、電動モータの大きな熱負荷が生じるので、この箇所では、電動モータの強い冷却が必要となる（領域ＩＩ）。このような熱管理システムを調整すべく、駆動システムの電動モータおよびパワーエレクトロニクスの冷却要素３，４間での上述の並列接続と直列接続との間の動的な切り換えも可能である。これにより、冷却媒体の全体積流量の分配が、駆動システムのその都度の運転点、例えばトルクおよび回転数に依存しており、これにより、駆動システムの出力が推定される。

図５は、パワーエレクトロニクス７がハウジング１４内に配置されており、このハウジング１４上に電動モータ１５が配置されている、ハイブリッドモジュール１３を示している。熱管理システムは、体積流量分割器２および切り換え弁１０だけ示してある。このようなハイブリッドモジュール１３の場合、パワーエレクトロニクス７および電動モータ１５の冷却回路は、空間的に至近である。ハイブリッドモジュール１３内での冷却回路の直接的な配設は、手間またはコストのかかる外部の接続、例えばチューブを用いた接続を省略する。

提案する解決手段は、パワーエレクトロニクスと電動モータとを有するあらゆる電動式の駆動システムおよびアクチュエータに用いられる。

１ 冷却媒体ポンプ
２ 体積流量分割器
３ 冷却ユニット
４ 冷却ユニット
５ 通路
６ 多方向制御弁
７ パワーエレクトロニクス
８ 演算ユニット
９ 出力段
１０ 切り換え弁
１１ 切り換え弁
１２ 冷却ユニット
１３ ハイブリッドモジュール
１４ ハウジング
１５ 電動モータ

Claims (10)

1. 電動式の駆動システム、好ましくは車両用の電動式の駆動システム用の熱管理システムであって、前記電動式の駆動システムは、電動モータ（１５）とパワーエレクトロニクス（７）とを有し、前記電動モータ（１５）と前記パワーエレクトロニクス（７）とは、１つの冷却回路内で接続されており、前記冷却回路内を循環する冷却媒体により冷却され、前記冷却媒体は、冷却媒体ポンプ（１）により循環される、
   熱管理システムにおいて、
   前記電動モータ（１５）および前記パワーエレクトロニクス（７）は、それぞれ１つの冷却ユニット（３，４）と空間的に接しており、前記電動モータ（１５）および前記パワーエレクトロニクス（７）の前記冷却ユニット（３，４）は、互いに並列に配置されており、前記冷却媒体ポンプ（１）と前記冷却ユニット（３，４）との間には、電気式に制御される冷却媒体分配器（２）が配置されており、該冷却媒体分配器（２）は、２つの出口（Ｂ１，Ｂ２）を有し、それぞれ一方の出口（Ｂ１）は、前記電動モータ（１５）の前記冷却ユニット（３）または前記パワーエレクトロニクス（７）の前記冷却ユニット（４）に通じ、かつ前記冷却ユニット（３，４）の出口（Ｃ１，Ｃ２）は、１つの通路（５）にまとめられ、前記冷却媒体ポンプ（１）に戻されている
   ことを特徴とする熱管理システム。
2. 前記出口（Ｂ１，Ｂ２）の上流には、前記冷却媒体分配器（２）内に、前記冷却媒体の体積流量を前記電動モータ（１５）の前記冷却ユニット（３）および／または前記パワーエレクトロニクス（７）の前記冷却ユニット（４）へと制御する電気式に操作可能な弁（６）が接続されていることを特徴とする、請求項１記載の熱管理システム。
3. 前記電気式に操作可能な弁（６）は、無段階に制御な機械式の絞りとして形成されていることを特徴とする、請求項２記載の熱管理システム。
4. 前記弁（６）の制御範囲は、出口（Ｂ１，Ｂ２）毎に前記冷却媒体の前記体積流量の０〜１００％であることを特徴とする、請求項３記載の熱管理システム。
5. 前記体積流量の制御ストラテジが、前記パワーエレクトロニクス（７）の演算ユニット（８）内にソフトウェアとして格納されており、前記冷却媒体分配器（２）の前記弁（６）を制御する電気的な出力段（９）が、前記パワーエレクトロニクス（７）内に配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の熱管理システム。
6. 前記パワーエレクトロニクス（７）の前記冷却ユニット（４）の出口（Ｃ２）または前記電動モータ（１５）の前記冷却ユニット（３）の出口（Ｃ１）に、切り換え弁（１０）が配置されており、該切り換え弁（１０）は、一方では、前記冷却媒体ポンプ（１）に接続されており、他方では、前記電動モータの前記冷却ユニット（３）の入口（Ｄ１）または前記パワーエレクトロニクス（７）の前記冷却ユニット（４）の入口（Ｄ２）に導かれていることを特徴とする、請求項１から５までの少なくとも１項記載の熱管理システム。
7. 前記切り換え弁（１０）の動作は、電気機械式に制御可能であることを特徴とする、請求項６記載の熱管理システム。
8. 前記パワーエレクトロニクス（７）および前記電動モータ（１５）の前記冷却ユニット（３，４）の、合流される前記出口（Ｃ１，Ｃ２）に、多方向制御弁（１１）が配置されており、該多方向制御弁（１１）は、車両機器の別の冷却ユニット（１２）への冷却媒体バイパスを開放または閉鎖することを特徴とする、請求項１から７までの少なくとも１項記載の熱管理システム。
9. 前記冷却媒体ポンプ（１）は、圧力制御されていることを特徴とする、請求項１から８までの少なくとも１項記載の熱管理システム。
10. パワーエレクトロニクスと電動モータとを備え、熱管理システムが組み込まれたハイブリッドモジュールであって、前記熱管理システムは、請求項１から９までの少なくとも１項にしたがって形成されていることを特徴とする、ハイブリッドモジュール。

Images