特許 7573683 パルスインバータ、パワートレイン、及び冷却剤を加熱するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-17

(45)【発行日】2024-10-25

(54)【発明の名称】パルスインバータ、パワートレイン、及び冷却剤を加熱するための方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241018BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【請求項の数】 9

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023076643

(22)【出願日】2023-05-08

(65)【公開番号】P2023166343

(43)【公開日】2023-11-21

【審査請求日】2023-05-08

(31)【優先権主張番号】10 2022 111 447.3

(32)【優先日】2022-05-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】510238096

【氏名又は名称】ドクター エンジニール ハー ツェー エフ ポルシェ アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｄｒ． Ｉｎｇ． ｈ．ｃ． Ｆ． Ｐｏｒｓｃｈｅ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

【住所又は居所原語表記】Ｐｏｒｓｃｈｅｐｌａｔｚ １， Ｄ－７０４３５ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110003421

【氏名又は名称】弁理士法人フィールズ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ティミヤン ヴィーリク

(72)【発明者】

【氏名】マクシミリアン バルコー

(72)【発明者】

【氏名】パスカル ホイスラー

(72)【発明者】

【氏名】シュテファン ガッツェマン

(72)【発明者】

【氏名】ヤニク マイヤー

【審査官】冨永 達朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－１８９２４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの電力電子機器（８）が提供されている、パルスインバータハウジング（２０、２１）を有する、パルスインバータであって、少なくとも前記パルスインバータハウジング（２０、２１）が、ハウジング手段（２４、２６）を通して流れる冷却剤によって冷却され、前記電力電子機器が、少なくとも１つのコントローラと、ゲートドライバと、半導体素子（５０）を有する電力電子機器（８）と、を備え、半導体素子（５０）を切り替えるために、前記ゲートドライバ（１０）が、ターンオン電圧Ｕ_ＧＳ及びターンオフ電圧Ｕ_０を提供し、この目的のために、前記コントローラによって作動可能であり、前記コントローラ（１２）が、制御手段を備え、これを介して、耐電圧Ｕ_Ｒ＜Ｕ_ＧＳが調整可能であり、これにより、電力消散Ｐ_Ｖが生成され得、前記電力電子機器（８）及び／又は前記冷却剤を加熱させ、
前記パルスインバータハウジング（２０、２１）が、前記ハウジング手段として、少なくとも１つの冷却剤入口開口部（２４）及び少なくとも１つの冷却剤出口開口部（２６）を備え、前記冷却剤が、前記電力電子機器（８）と直接接触している前記パルスインバータハウジング（２０、２１）を通って流れることを特徴とする、パルスインバータ。

【請求項2】

前記電力電子機器（８）が、電圧Ｕ_ＤＳ又は電流Ｉ_ＤＳを検出するための少なくとも１つの電力センサを備えることを特徴とする、請求項１に記載のパルスインバータ。

【請求項3】

前記冷却剤が、誘電体材料であることを特徴とする、請求項１に記載のパルスインバータ。

【請求項4】

請求項１に記載のパルスインバータ（６）を有するパワートレインであって、電気機械（４）に、エネルギーリザーバ（１３）を有する冷却回路が提供されており、前記電気機械（４）が、前記パルスインバータ（６）に接続しており、電気機械ハウジング（２２）が、前記冷却剤によって灌流可能であるように同様に構成されていることを特徴とする、パワートレイン。

【請求項5】

前記パルスインバータ、前記電気機械（４）、及び前記エネルギーリザーバ（１３）が、車両冷却回路全体に統合されていることを特徴とする、請求項４に記載のパワートレイン。

【請求項6】

別個の冷却回路（１４）に、冷却ポンプ（１６）及び熱交換器（１７）が提供されていることを特徴とする、請求項４に記載のパワートレイン。

【請求項7】

前記冷却剤の灌流方向を変更するための切り替え手段（１８）が提供されていることを特徴とする、請求項４に記載のパワートレイン。

【請求項8】

請求項４に記載のパワートレインにおいて冷却剤を加熱するための方法であって、第１のステップにおいて、温度Ｔが、温度センサによって判定され、第２のステップにおいて、前記温度Ｔと、保存された温度閾値Ｔ_Ｓとの比較が行われ、第３のステップにおいて、耐電圧Ｕ_Ｒ＜Ｕ_ＧＳが設定されることを特徴とする、方法。

【請求項9】

第４のステップにおいて、電圧Ｕ_ＤＳ又は電流Ｉ_ＤＳが、少なくとも１つの電力センサによって、前記電力電子機器（８）において検出され、制御変数として、前記コントローラ（１２）にフィードバックされることを特徴とする、請求項８に記載の冷却剤を加熱するための方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、少なくとも１つの電力電子機器が提供されるパルスインバータハウジングを有するパルスインバータに関し、少なくともパルスインバータハウジングは、ハウジング手段を通して流れる冷却剤によって冷却される。更に、本発明は、かかるパルスインバータを有するパワートレイン、並びにかかるパワートレインにおいて冷却剤を加熱するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気パワートレインでは、電気機械の動作に対して、パルスインバータが必要とされる。パルスインバータは、バッテリのＤＣ電圧を多相ＡＣ電圧に変換し、かつこの目的のために、ゲートドライバ及びコントローラと協働する少なくとも１つの電力電子機器を有する。全ての電子部品を１つのハウジングに収容することは絶対的に必要というわけではなく、特に、電力電子機器は強く加熱され得るので、パワートレインにおける電気機械のように冷却されなければならない。パルスインバータ及び電気機械が流れる冷却剤、この事例では水によって冷却される、冷却されたパワートレインは、独国特許出願公開第１０ ２０１６ ２１１ ７６３号明細書から公知である。この場合において、電力電子機器、すなわち、電子部品、及び／又は電気機械、特にステータの増加した電力消散分は、本開示では、低温でのエネルギーリザーバにおける、電気部品を加熱するために使用される。この手順は、過負荷を急速に導き、これにより電力電子機器、又は更には電気機械を損傷させる可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】独国特許出願公開第１０ ２０１６ ２１１ ７６３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

したがって、本発明によって対処される課題は、前述の不利益を単純かつ安価な様態において回避することである。

【0005】

この問題は、電力電子機器が少なくとも１つのコントローラと、ゲートドライバと、半導体素子を有する電力電子機器と、を備え、半導体素子を切り替えるために、ゲートドライバが、ターンオン電圧Ｕ_ＧＳ及びターンオフ電圧Ｕ_０を提供し、この目的のために、コントローラによって作動可能であり、コントローラが、制御手段を備え、これを介して、耐電圧Ｕ_Ｒ＜Ｕ_ＧＳが調整可能であり、これにより、電力消散Ｐ_Ｖが生成され得、電力電子機器及び／又は冷却剤を加熱させる。

【0006】

特に有利な実施形態では、電力電子機器は、電圧Ｕ_ＤＳ又は電流Ｉ_ＤＳを検出するための少なくとも１つの電力センサを備える。これにより、冷却回路内の正確な温度制御が可能となる。

【0007】

特に有利な様態において、パルスインバータハウジングが、ハウジング手段として、少なくとも１つの冷却剤入口開口部及び少なくとも１つの冷却剤出口開口部を備え、そのため、冷却剤が、電力電子機器と直接接触しているパルスインバータハウジングを通って流れ、冷却剤が、誘電体材料である。誘電体材料がパルスインバータハウジング内の電力電子機器の周りを完全又は部分的に流れることを可能にすることによって、電力電子機器と誘電体材料との間にボリュームエンベロープ接触エリアが生成される。電力電子機器と誘電体材料との間の接触エリアは、それによって先行技術と比較して著しく増加する。加えて、本明細書に記載の熱交換の様態において、電力電子機器で生成される熱は、直接吸収され、流動冷却剤から除去される。熱遷移の数が同時に最小化された接触エリアの拡大は、冷却及び加熱効率の大幅な増加をもたらす。

【0008】

課題は、このようなパルスインバータを有するパワートレインによって同様に解決され、電気機械に、エネルギーリザーバを有する冷却回路が提供されており、電気機械が、パルスインバータに接続しており、電気機械ハウジングが、冷却剤によって灌流可能であるように同様に構成されている。

【0009】

パルスインバータ、電気機械、及びエネルギーリザーバは、車両冷却回路全体に統合され得る。有利に、冷却剤ポンプ及び熱交換器を備えた別個の冷却回路が、特に単純な様態において冷却剤及び熱流を制御することができるように提供されている。誘電体材料の灌流方向を変更するための切り替え手段は、特別な動作状況に単純に反応することができるように提供され得る。切り替え手段は、冷却剤ポンプの回転方向を変更することができる、又は灌流方向を変更することができるように提供されるバルブを提供するという点で構成することができる。

【0010】

課題は、かかるパワートレイン内の冷却剤を加熱するための方法によって同様に解決され、第１のステップにおいて、温度Ｔが、温度センサによって判定され、第２のステップにおいて、温度Ｔと、保存された温度閾値との比較が行われ、第３のステップにおいて、耐電圧Ｕ_Ｒ＜Ｕ_ＧＳが設定される。

【0011】

有利に、第４のステップにおいて、電圧Ｕ_ＤＳ又は電流Ｉ_ＤＳが、少なくとも１つの電力センサによって、電力電子機器において検出され、制御変数として、コントローラにフィードバックされる。

【0012】

本発明は、以下に示される、図面を参照することによって更に詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】別個の冷却回路を有する単純な電気パワートレインの概略図である。

【図2】パルスインバータの第１の実施形態の詳細図である。

【図3】接続された半導体素子を有するゲートドライバの概略図である。

【図4】電流電圧プロットである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、電気車両（更には図示せず）の非常に単純なパワートレイン２を示す。パワートレイン２は、電気機械４及びそれに接続されたパルスインバータ６からなる。パルスインバータ６は、バッテリのＤＣ電圧（更には図示せず）を、電気機械４の動作のために多相ＡＣ電圧に変換し、したがって電気機械４の制御を引き継ぐ。例えば、パルスインバータ６は、駆動制御ユニット（更には図示せず）からのトルク要求を受信し、対応する電圧を設定することによってそれを実施する。この目的のために、パルスインバータ４は、図２及び３に更に詳細に説明するように、３つの機能的構成要素８、１０、１２から構築することができる。電力電子機器８は、半導体素子スイッチ及びＤＣリンクキャパシタからなる、いわゆる転流セルを含む。更に、本例示的な実施形態では、電圧及び電流を検出するためのセンサは、電力電子機器８に組み込まれている。ゲートドライバ１０は、半導体素子スイッチを作動させ、コントローラ１２のスイッチング信号を実施するために必要である。

【0015】

コントローラ１２は、実質的に、電気機械４の制御を引き継いで、設定されるＡＣ電圧を計算する。

【0016】

特に、電力電子機器８は、電気機械４に加えて、高温の発熱を経験することができる。電力を電気機械４に供給するためのエネルギーリザーバ１３もまた、示されている。電気機械４及びパルスインバータ６の両方の効果的な冷却を確保するために、冷却剤ポンプ１６及び熱交換器１７を備える冷却デバイス１５を有する冷却回路１４が提供されている。冷却剤ポンプ１６は、冷却剤回路１４内に位置する冷却剤の灌流方向の変化を提供するために、切り替え手段１８として回転方向反転部を有する。

【0017】

冷却剤回路１４は、パルスインバータハウジング２０及び電気機械ハウジング２２の両方が、冷却剤によって灌流されるように構成されている。この目的のために、パルスインバータハウジング２０は、冷却剤入口開口部２４及び冷却剤出口開口部２６を有し、また、電気機械ハウジング２２は、冷却剤入口開口部２８及び冷却剤出口開口部３０を有し、ここで、用語は、先ず、パルスインバータハウジング２０及びその後に電気機械ハウジング２２が冷却剤によって灌流されるように選択される。方向反転については、「入口開口部」及び「出口開口部」という用語は、適宜切り替わる。ここでは、誘電体材料が冷却剤として提供されている。例えば、外側温度が低温の場合、エネルギーリザーバ１３は、速やかに動作温度に引き上げられなければならない。冷却回路１４は、以下に説明するように、この目的のために使用され得る。更には図示されていない温度センサは、エネルギーリザーバ１３上に提供され、エネルギーリザーバ１３上に存在する温度Ｔを感知する。

【0018】

図２は、ここで、パルスインバータハウジング２０を有する、本発明によるパルスインバータ６の概略図を示す。パルスインバータ６が電気機械４の前方で流れの方向に配置される本例示的な実施形態では、パルスインバータハウジング２０は、冷却剤入口開口部２４及び冷却剤出口開口部２６を有し、これは、パルスインバータハウジング２０の湿式チャンバ３２に直接流体接続される。パルスインバータハウジング２０はまた、封止部材３６によって湿式チャンバ３２から流体的に分離された乾式チャンバ３４を有する。本例示的な実施形態では、電力電子機器８、ゲートドライバ１０、及びＤＣリンクキャパシタ３８は、湿式チャンバ３２内に提供され、ここで、これらの構成要素８、１０、３８は、誘電体の流れによって直接囲まれる。電力電子機器８及びＤＣリンクキャパシタ３８の電気コネクタ４６はまた、冷却剤の流れによって囲まれ、それによって最適に冷却される。コントローラ１２のみが、乾式チャンバ３４内に提供されている。ゲートドライバ１０及びコントローラ１２は、電気接続部４８を介して電力電子機器８に電気的に接続される。

【0019】

図３は、接続された半導体素子５０を有するゲートドライバ１０の概略図を示す。ここで、保存された温度閾値Ｔ_Ｓを下回る、エネルギーリザーバ１３の温度Ｔが判定される場合、いわゆる耐電圧Ｕ_Ｒ＜Ｕ_ＧＳ（ゲート電圧）が、ゲートドライバ１０上に設定され、これは、半導体素子５０の無消散切り替えに必要とされる。電流Ｉ_ＤＳ及び電圧Ｕ_ＤＳを有する耐Ｒ_ＤＳは、それによって最も単純な様態において実現され、これにより、電力消散Ｐ_Ｖ、したがってパルスインバータ６の加熱及びしたがって冷却剤につながる。次いで、エネルギーリザーバ１３は、冷却剤を介して、必要な動作温度まで加熱され得る。この場合、電力電子機器８では、電圧Ｕ_ＤＳ又は電流Ｉ_ＤＳが少なくとも１つの電力センサによって検出され、制御変数としてコントローラ１２にフィードバックされる場合に有利である。

【0020】

図４は、ここで、電圧Ｕ_ＧＳに対する耐Ｒ_ＤＳを示すプロットを示す。電圧Ｕ_Ｒ＜Ｕ_ＧＳ、及び結果として電力消散Ｐ_Ｖ、及びそれゆえ熱が生成される範囲は、参照番号５２で示される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】