DE102023118191A1

DE102023118191A1 - automotive traction motor electronics

Info

Publication number: DE102023118191A1
Application number: DE102023118191.2A
Authority: DE
Inventors: Patrick Knecht; Maximilian Barkow; Jonas Ottolin
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2023-07-10
Filing date: 2023-07-10
Publication date: 2025-01-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kfz-Traktionsmotor-Elektronik (10) miteiner Antriebsmotor-Leistungselektronik (20) mit mehreren Leistungshalbleitern (22),einer Flüssigkeitskühlung (30) mit einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit (50) zur indirekten Kühlung der an eine fluiddichte Trennwand (32) der Flüssigkeitskühlung (30) unmittelbar angrenzenden Leistungshalbleiter (22), undeiner Kühlungssteuerung (40) zur Steuerung der Kühlleistung der Flüssigkeitskühlung (30),wobei die Flüssigkeitskühlung (30) mehrere fluidisch zueinander parallele Kühlpfade (71-76) aufweist, wobei jedem Kühlpfad (71-76) mindestens ein Leistungshalbleiter (22) thermisch zugeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dassden Kühlpfaden (71 - 76) jeweils ein durch die Kühlungssteuerung (40) gesteuertes Fluidventil (60) fluidisch zugeordnet ist, durch das der Kühlflüssigkeits-Fluss kühlpfadweise steuerbar ist.The invention relates to a motor vehicle traction motor electronics system (10) with drive motor power electronics (20) with a plurality of power semiconductors (22), a liquid cooling system (30) with a circulating coolant (50) for indirectly cooling the power semiconductors (22) immediately adjacent to a fluid-tight partition wall (32) of the liquid cooling system (30), and a cooling control system (40) for controlling the cooling performance of the liquid cooling system (30), wherein the liquid cooling system (30) has a plurality of cooling paths (71-76) which are fluidically parallel to one another, wherein at least one power semiconductor (22) is thermally assigned to each cooling path (71-76), characterized in that a fluid valve (60) controlled by the cooling control system (40) is fluidically assigned to each of the cooling paths (71-76), by means of which the coolant flow can be controlled for each cooling path.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kfz-Traktionsmotor-Elektronik für ein Kraftfahrzeug, das eine Traktionsbatterie und einen elektrischen Traktionsmotor aufweist.The invention relates to a motor vehicle traction motor electronics system for a motor vehicle having a traction battery and an electric traction motor.

Die Kfz-Traktionsmotor-Elektronik weist mehrere Leistungshalbleiter auf, durch die die in die elektromagnetischen Traktionsmotor-Spulen eingespeiste elektrische Energie gesteuert wird. Zur Kühlung der Leistungshalbleiter ist aus DE 10 2021 202 737 A1 eine Fluidkühlung mit einem zirkulierenden Kühlfluid bekannt, wobei die Leistungshalbleiter unmittelbar an eine fluiddichte Trennwand angrenzen, die den Fluidbereich fluidisch von den Leistungshalbleitern trennt.The vehicle traction motor electronics have several power semiconductors that control the electrical energy fed into the electromagnetic traction motor coils. To cool the power semiconductors, DE 10 2021 202 737 A1 Fluid cooling with a circulating cooling fluid is known, wherein the power semiconductors are directly adjacent to a fluid-tight partition wall which fluidically separates the fluid region from the power semiconductors.

Weitere Anordnungen zum Kühlen von Leistungshalbleitern sind bekannt aus EP 2 272 311 B1 , US 9 230 726 B1 , DE 10 2016 218 679 A1 und DE 10 2021 133 166 A1 .Further arrangements for cooling power semiconductors are known from EP 2 272 311 B1 , US 9 230 726 B1 , DE 10 2016 218 679 A1 and DE 10 2021 133 166 A1 .

Die Auslegung der Kühlungsanordnung und die Steuerung der Kühlung muss sich stets an dem Leistungshalbleiter orientieren, der die größte Verlustleistung aufweist und/oder am schlechtesten gekühlt wird. Hierunter leidet die energetische Effizienz der Kühlungsanordnung.The design of the cooling arrangement and the control of the cooling must always be based on the power semiconductor that has the greatest power loss and/or is cooled the worst. This has a negative impact on the energy efficiency of the cooling arrangement.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Kfz-Traktionsmotor-Elektronik mit einer effizienten Flüssigkeitskühlung zu schaffen.The object of the invention is to create a vehicle traction motor electronics with efficient liquid cooling.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Kfz-Traktionsmotor-Elektronik mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved according to the invention with a motor vehicle traction motor electronics having the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Kfz-Traktionsmotor-Elektronik weist eine Antriebsmotor-Leistungselektronik mit mehreren Leistungshalbleitern auf, typischerweise mit sechs Leistungshalbleitern bzw. Leistungshalbleiter-Modulen für einen dreisträngigen elektrischen Traktionsmotor. Die Leistungshalbleiter werden durch eine elektronische Wechselrichter-Ansteuerung angesteuert. Die Leistungshalbleiter werden typischerweise direkt gespeist aus einer Traktionsbatterie, typischerweise aus einer Hochvolt-Traktionsbatterie mit einer Klemmenspannung von mehr als 100 V.The motor vehicle traction motor electronics according to the invention have a drive motor power electronics with several power semiconductors, typically with six power semiconductors or power semiconductor modules for a three-phase electric traction motor. The power semiconductors are controlled by an electronic inverter control. The power semiconductors are typically fed directly from a traction battery, typically from a high-voltage traction battery with a terminal voltage of more than 100 V.

Die Kfz-Traktionsmotor-Elektronik weist ferner eine Flüssigkeitskühlung mit einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit zur indirekten Kühlung der an eine fluiddichte Trennwand der Flüssigkeitskühlung unmittelbar angrenzenden Leistungshalbleiter auf. Die Leistungshalbleiter sind thermisch widerstandsarm an der Trennwand angebracht, beispielsweise nur durch eine Wärmeleitpaste oder einen Wärmeleitkleber getrennt von der Trennwand. Die Trennwand trennt die trockenen Leistungshalbleiter von der Kühlflüssigkeit.The vehicle traction motor electronics also have a liquid cooling system with a circulating coolant for indirectly cooling the power semiconductors that are immediately adjacent to a fluid-tight partition wall of the liquid cooling system. The power semiconductors are attached to the partition wall with low thermal resistance, for example only separated from the partition wall by a thermal paste or a thermal adhesive. The partition wall separates the dry power semiconductors from the coolant.

Zur Steuerung der Kühlleistung der Flüssigkeitskühlung ist eine elektronische Kühlungssteuerung vorgesehen, die in dem Kühlflüssigkeits-Kreis beispielsweise eine Kühlflüssigkeits-Pumpe bedarfsgerecht steuert.To control the cooling performance of the liquid cooling, an electronic cooling control is provided, which controls, for example, a coolant pump in the coolant circuit as required.

Die Flüssigkeitskühlung weist mehrere fluidisch zueinander parallele Kühlpfade auf, wobei jedem Kühlpfad mindestens ein Leistungshalbleiter thermisch zugeordnet ist. Auf diese Weise strömt in jeden Kühlpfad die Kühlflüssigkeit ungefähr mit derselben Eingangstemperatur ein, so dass die potentielle Kühlleistung in jedem Kühlpfad grundsätzlich ungefähr gleich groß ist. Einem Kühlpfad kann jeweils ein einziger Leistungshalbleiter thermisch zugeordnet sein, grundsätzlich können jedem Kühlpfad thermisch jedoch jeweils auch mehrere Leistungshalbleiter zugeordnet sein, beispielsweise jeweils zwei Leistungshalbleiter.The liquid cooling system has several cooling paths that are fluidically parallel to one another, with at least one power semiconductor thermally assigned to each cooling path. In this way, the cooling liquid flows into each cooling path at approximately the same inlet temperature, so that the potential cooling power in each cooling path is basically approximately the same. A single power semiconductor can be thermally assigned to each cooling path, but in principle several power semiconductors can also be thermally assigned to each cooling path, for example two power semiconductors each.

Jedem Kühlpfad ist ein durch die Kühlungssteuerung gesteuertes Fluidventil fluidisch zugeordnet, durch das der Kühlflüssigkeits-Fluss kühlpfadweise steuerbar ist. Vorzugsweise weisen die Fluidventile jeweils elektrische bzw. elektromotorische Stellantriebe auf, die durch die elektronische Kühlungssteuerung elektrisch angesteuert werden. Auf diese Weise können die Leistungshalbleiter jeweils bedarfsgesteuert oder bedarfsgeregelt mit einer entsprechenden Kühlflüssigkeits-Flussmenge versorgt werden, so dass die Leistungshalbleiter individuell bedarfsgerecht gekühlt werden.Each cooling path is fluidically assigned a fluid valve controlled by the cooling control, through which the coolant flow can be controlled for each cooling path. The fluid valves preferably each have electric or electromotor actuators that are electrically controlled by the electronic cooling control. In this way, the power semiconductors can be supplied with a corresponding coolant flow rate in a demand-controlled or demand-regulated manner, so that the power semiconductors are individually cooled as required.

Hierdurch wird die Effizienz der gesamten Flüssigkeitskühlung gesteigert, da jeder Kühlpfad bzw. jeder Leistungshalbleiter individuell mit der entsprechenden Kühlleistung versorgt, nicht jedoch mit mehr Kühlleistung als erforderlich.This increases the efficiency of the entire liquid cooling system, since each cooling path or each power semiconductor is individually supplied with the appropriate cooling power, but not with more cooling power than necessary.

Vorzugsweise ist jedem Leistungshalbleiter jeweils ein Temperatursensor thermisch zugeordnet, der über eine Signalverbindung mit der Kühlungssteuerung informationell verbunden ist. Der Temperatursensor detektiert die Ist-Temperatur des betreffenden Leistungshalbleiters. Besonders bevorzugt ist die Kühlungssteuerung derart ausgelegt, dass die Fluidventile in Abhängigkeit von der durch die Temperatursensoren signalisierten Leistungshalbleiter-Ist-Temperatur geregelt werden. Auf diese Weise kann für jeden Leistungshalbleiter die erforderliche Kühlleistung ermittelt und durch eine entsprechende Steuerung der Fluidventile zur Verfügung gestellt werden.Preferably, each power semiconductor is thermally assigned a temperature sensor, which is informationally connected to the cooling control via a signal connection. The temperature sensor detects the actual temperature of the power semiconductor in question. The cooling control is particularly preferably designed in such a way that the fluid valves are controlled depending on the actual temperature of the power semiconductor signaled by the temperature sensors. In this way, the required cooling power can be determined for each power semiconductor and made available by appropriate control of the fluid valves.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Kfz-Traktionsmotor-Elektronik mit einer Antriebsmotor-Leistungselektronik und einer Flüssigkeitskühlung zur Kühlung der Leistungshalbleiter der Leistungselektronik, und
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Kühlpfades der Flüssigkeitskühlung der Kfz-Traktionsmotor-Elektronik der 1.

In the following, an embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawings. They show:

1 a schematic representation of a vehicle traction motor electronics with a drive motor power electronics and a liquid cooling system for cooling the power semiconductors of the power electronics, and
2 a schematic sectional view of a cooling path of the liquid cooling of the vehicle traction motor electronics of the 1 .

In der 1 ist schematisch eine Anordnung bestehend aus einem elektrischen Traktionsmotor 12, der vorliegend zwei Fahrzeug-Räder W antreibt, einer Hochvolt-Traktionsbatterie 14 und einer Kfz-Traktionsmotor-Elektronik 10 dargestellt. Die Kfz-Traktionsmotor-Elektronik 10 wird elektrisch durch die Hochvolt-Traktionsbatterie 14, die eine Klemmenspannung von beispielsweise 400 V oder 800 V hat, gespeist. Die Kfz-Traktionsmotor-Elektronik 10 weist insbesondere einen elektronischen Kommutator auf, der vorliegend unter anderem von sechs Leistungshalbleitern 22 gebildet wird, die die drei Wicklungsstränge des Traktionsmotors 12 elektrisch unmittelbar speisen. Die sechs Leistungshalbleiter 22 sind vorliegend auf einer Leiterplatine 20 angeordnet, die beispielsweise die Steuerungselektronik zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter 22 aufweisen kann. Jedem Leistungshalbleiter 22 ist thermisch unmittelbar jeweils ein Temperatursensor 42 zugeordnet, der die Temperatur des betreffenden Leistungshalbleiters 22 detektiert.In the 1 is a schematic representation of an arrangement comprising an electric traction motor 12, which in this case drives two vehicle wheels W, a high-voltage traction battery 14 and a vehicle traction motor electronics 10. The vehicle traction motor electronics 10 are electrically powered by the high-voltage traction battery 14, which has a terminal voltage of, for example, 400 V or 800 V. The vehicle traction motor electronics 10 in particular has an electronic commutator, which in this case is formed, among other things, by six power semiconductors 22, which directly electrically feed the three winding strands of the traction motor 12. The six power semiconductors 22 are arranged in this case on a printed circuit board 20, which can, for example, have the control electronics for controlling the power semiconductors 22. Each power semiconductor 22 is thermally directly assigned a temperature sensor 42 which detects the temperature of the respective power semiconductor 22.

Der Kfz-Traktionsmotor-Elektronik 10 ist eine Flüssigkeitskühlung 30 zugeordnet, die ein Teil eines Kühlkreises ist, der unter anderem eine Kühlflüssigkeits-Pumpe 16 und einen Kühlflüssigkeits-Kühler 18 aufweist, der die in dem Kühlkreis zirkulierende Kühlflüssigkeit 50 kühlt. Die Flüssigkeitskühlung 30 weist ein Elektronik-Kühlgehäuse 30' mit einem Kühlflüssigkeits-Einlass 33 und einem Kühlflüssigkeits-Auslass 34 auf. Das Elektronik-Kühlgehäuse 30' weist eine Deckenwand 38 und eine Trennwand 32 auf, die eine Bodenwand des Kühlgehäuses 30' bildet, und an deren trockener Seite die sechs Leistungshalbleiter 22 thermisch unmittelbar anliegen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Leistungshalbleiter 22 jeweils durch eine Wärmeleitpaste 80 thermisch unmittelbar und widerstandsarm verbunden mit der Metall-Trennwand 32.The vehicle traction motor electronics 10 are assigned a liquid cooling system 30, which is part of a cooling circuit that includes, among other things, a coolant pump 16 and a coolant cooler 18, which cools the coolant 50 circulating in the cooling circuit. The liquid cooling system 30 has an electronics cooling housing 30' with a coolant inlet 33 and a coolant outlet 34. The electronics cooling housing 30' has a top wall 38 and a partition wall 32, which forms a bottom wall of the cooling housing 30' and on whose dry side the six power semiconductors 22 are thermally directly in contact. In the present exemplary embodiment, the power semiconductors 22 are each thermally directly connected to the metal partition wall 32 with low resistance by a thermal paste 80.

In dem Kühlgehäuse 30' sind sechs Kühlpfade 71 - 76 durch entsprechende Leitwände definiert, wobei im Verlauf der sechs Kühlpfade 71 - 76 jeweils ein einziger Leistungshalbleiter 22 dem betreffenden Kühlpfad 71 - 76 thermisch zugeordnet ist, wie exemplarisch für einen Kühlpfad 71 in der 2 dargestellt ist. Im Zulaufbereich jedes Kühlpfades 71 - 76 ist jeweils ein elektrisches Fluidventil 60 angeordnet, das im Wesentlichen von einem plattenartigen und rotierbaren Ventilkörper 62 und einem elektrischen Ventil-Aktuator 64 gebildet ist. Der Ventil-Aktuator 64 kann den Ventilkörper 62 zwischen einer Schließposition und einer Öffnungsposition stufenlos einstellen.In the cooling housing 30', six cooling paths 71 - 76 are defined by corresponding guide walls, wherein in the course of the six cooling paths 71 - 76 a single power semiconductor 22 is thermally assigned to the respective cooling path 71 - 76, as shown by way of example for a cooling path 71 in the 2 is shown. In the inlet area of each cooling path 71 - 76 there is an electric fluid valve 60 which is essentially formed by a plate-like and rotatable valve body 62 and an electric valve actuator 64. The valve actuator 64 can continuously adjust the valve body 62 between a closed position and an open position.

Die sechs Temperatursensoren 42 und die sechs Fluidventil-Aktuatoren 64 sind über entsprechende Signalverbindungen mit einer Kühlungssteuerung 40 informationell verbunden. Die Kühlungssteuerung 40 steuert die Fluidventile 60 in Abhängigkeit von der durch die Temperatursensoren 42 jeweils signalisierten Leistungshalbleiter-Temperatur.The six temperature sensors 42 and the six fluid valve actuators 64 are informationally connected to a cooling control 40 via corresponding signal connections. The cooling control 40 controls the fluid valves 60 depending on the power semiconductor temperature signaled by the temperature sensors 42.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA accepts no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2021 202 737 A1 [0002]
EP 2 272 311 B1 [0003]
US 9 230 726 B1 [0003]
DE 10 2016 218 679 A1 [0003]
DE 10 2021 133 166 A1 [0003]

Claims

Motor vehicle traction motor electronics (10) with drive motor power electronics (20) with several power semiconductors (22), a liquid cooling system (30) with a circulating coolant (50) for indirectly cooling the power semiconductors (22) immediately adjacent to a fluid-tight partition wall (32) of the liquid cooling system (30), and a cooling control (40) for controlling the cooling performance of the liquid cooling system (30), wherein the liquid cooling system (30) has several cooling paths (71-76) which are fluidically parallel to one another, wherein at least one power semiconductor (22) is thermally assigned to each cooling path (71-76), characterized in that the cooling paths (71-76) are each fluidically assigned a fluid valve (60) controlled by the cooling control (40), by means of which the coolant flow can be controlled for each cooling path.

Automotive traction motor electronics (10) to claim 1 , wherein the power semiconductors (22) are each assigned a temperature sensor (42) which is connected to the cooling control (40) via a signal connection.

Automotive traction motor electronics (10) to claim 2 , wherein the cooling control (40) regulates the fluid valves (60) depending on the power semiconductor temperature signaled by the temperature sensors (42).