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DE102021121444B3 - Gekühlter Pulswechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Gekühlter Pulswechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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DE102021121444B3
DE102021121444B3 DE102021121444.0A DE102021121444A DE102021121444B3 DE 102021121444 B3 DE102021121444 B3 DE 102021121444B3 DE 102021121444 A DE102021121444 A DE 102021121444A DE 102021121444 B3 DE102021121444 B3 DE 102021121444B3
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DE
Germany
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cooling circuit
power electronics
housing
pulse
cooling
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Application number
DE102021121444.0A
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Inventor
Maximilian Barkow
Pascal Heusler
Patrick Fuchs
Karl Dums
Timijan Velic
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Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Publication date
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Priority to US17/882,662 priority patent/US20230057989A1/en
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

Es ist ein Pulswechselrichter (10) zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs aus einer Kraftfahrzeugbatterie vorgesehen mit einem Gehäuse (14) zur Begrenzung eines Innenraums (12), einer in dem Innenraum (12) des Gehäuses (14) vorgesehenen Leistungselektronik (16) zur Wandlung vom Gleichstrom in Wechselstrom, einem ersten Kühlkreislauf (30) zur Abfuhr von Wärme von einer von der Leistungselektronik (16) weg weisenden Außenseite (26) des Gehäuses (14) und einem vom dem ersten Kühlkreislauf (30) separierten und mit dem Innenraum (12) des Gehäuses (14) kommunizierenden zweiten Kühlkreislauf (36) zur direkten Flüssigkeitskühlung der Leistungselektronik (16) durch ein elektrisch isolierendes Fluid. Durch die Kühlung innerhalb des Gehäuses (14) mit einem elektrisch isolierenden Fluid mit geringer Wärmekapazität und die Kühlung an der Außenseite (26) des Gehäuses (14) mit einem nicht isolierenden Fluid mit hoher Wärmekapazität ist eine gute Kühlung des Pulswechselrichters (10) erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen gekühlten Pulswechselrichter, mit dessen Hilfe eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs mit Wechselstrom aus einer Gleichstrom-Kraftfahrzeugbatterie betrieben werden kann.
  • Aus EP 2 555 606 A1 ist es bekannt in einer Wandung eines Gehäuses für ein Stromrichtermodul Kühlkanäle vorzusehen, um ein zur Absorption von in Stromrichterkomponenten entstehender Wärme in einem Innenraum des Gehäuses eingeschlossenes dielektrisches Fluid rückzukühlen.
  • Aus DE 10 2017 204 112 A1 ist es bekannt einen Pulswechselrichter für einen elektrischen Motor eines Elektrofahrzeugs mit Hilfe eines Kühlkreislaufs zu kühlen, der durch das Gehäuse des Pulswechselrichter hindurchgeführt ist und mit Hilfe eines elektrisch isolierenden Kühlmittels elektronische Halbleiterbauelemente direkt kühlt.
  • Aus DE 195 45 448 A1 ist ein Stromrichter bekannt, der in einem Innenraum angeordnete Baukomponenten aufweist, wobei der Innenraum von Hohlprofilwänden begrenzt ist, in denen voneinander separierte Wasserkanäle und Luftkanäle zur Aufnahme der in den Baukomponenten erzeugten Wärme vorgesehen sind.
  • Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Kühlung eines Pulswechselrichter zu verbessern.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine gute Kühlung eines Pulswechselrichter ermöglichen.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Pulswechselrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Wenn ein Merkmal in Kombination mit einem anderen Merkmal dargestellt wird, dient dies nur der vereinfachten Darstellung der Erfindung und soll keinesfalls bedeuten, dass dieses Merkmal nicht auch ohne das andere Merkmal eine Weiterbildung der Erfindung sein kann.
  • Eine Ausführungsform betrifft einen Pulswechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs aus einer Kraftfahrzeugbatterie, mit einem Gehäuse zur Begrenzung eines Innenraums, einer in dem Innenraum des Gehäuses vorgesehenen Leistungselektronik zur Wandlung vom Gleichstrom in Wechselstrom, einem ersten Kühlkreislauf zur Abfuhr von Wärme von einer von der Leistungselektronik weg weisenden Außenseite des Gehäuses und einem vom dem ersten Kühlkreislauf separierten und mit dem Innenraum des Gehäuses kommunizierenden zweiten Kühlkreislauf zur direkten Flüssigkeitskühlung der Leistungselektronik durch ein elektrisch isolierendes Fluid.
  • Anstatt nur einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Pulswechselrichter vorzusehen, sind zwei verschiedene voneinander unabhängige und zueinander separierte Kühlkreisläufe vorgesehen. Der erste Kühlkreislauf kühlt an der Außenseite des Gehäuses, während der zweite Kühlkreislauf das Gehäuse durchströmt und innerhalb der des Gehäuses kühlt. Der jeweilige Kühlkreislauf kann beabstandet zu den zu kühlenden Komponenten des Pulswechselrichters, beispielsweise durch einen Verdampfer und/oder einen Wärmetauscher, beispielsweise ein Frontkühler des Kraftfahrzeugs, die aufgenommene Wärme abgeben und mit einer entsprechend niedrigen Temperatur dem Pulswechselrichter zugeführt werden. Der erste Kühlkreislauf kann Wärme aufnehmen, die der zweite Kühlkreislauf nicht aufnehmen konnte. Zudem kann der erste Kühlkreislauf Wärme von dem Fluid des zweiten Kühlkreislauf aufnehmen. Dadurch kann eine Temperaturerhöhung des Fluids des zweiten Kühlkreislaufs gering gehalten werden, so dass ein hoher Temperaturgradient zwischen der zu kühlenden Komponente, insbesondere der Leistungselektronik und dem Fluid des zweiten Kühlkreislaufs aufrecht erhalten werden kann. Die Kühlleistung des zweiten Kühlkreislaufs kann dadurch verbessert werden. Trotz der Kühlung mit Hilfe des zweiten Kühlkreislaufs an die Außenseite des Gehäuses gelangende Wärme kann von dem ersten Kühlkreislauf aufgenommen und abgeführt werden. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass bei einem performanten elektrischen Betrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs eine Kühlung der Leistungselektronik durch die begrenzte Wärmekapazität eines elektrisch isolierenden Fluids des zweiten Kühlkreislaufs nicht ausreichend sein kann. Da für den zweiten Kühlkreislauf auch ein elektrisch leitendes Fluid verwendet werden kann, insbesondere ein Wasser/Glykol-Gemisch, kann bei einer geringen Temperaturerhöhung eine hohe Wärmemenge von dem Fluid des ersten Kühlkreislaufs aufgenommen werden. Zudem kann das Fluid des zweiten Kühlkreislaufs durch turbulente Strömungen Wärme schnell von den wärmeabgebenden Komponenten an das Gehäuse fördern, wo das Fluid des ersten Kühlkreislaufs die Wärme abführen kann. Die Kühlleistung kann dadurch höher als die Summe der jeweils einzelnen Kühlleistungen des ersten Kühlkreislauf du des zweiten Kühlkreislaufs ohne den jeweils anderen Kühlkreislauf sein. Durch die Kühlung innerhalb des Gehäuses mit einem elektrisch isolierenden Fluid mit geringer Wärmekapazität und die Kühlung an der Außenseite des Gehäuses mit einem nicht isolierenden Fluid mit hoher Wärmekapazität ist eine gute Kühlung des Pulswechselrichters erreicht.
  • Das Gehäuse des Pulswechselrichters kann einen Einlass und einen Auslass für das Fluid des zweiten Kühlkreislaufes aufweisen. Der Einlass und der Auslass sind insbesondere möglichst weit weg voneinander in einer Wand des Gehäuses vorgesehen, so dass das Fluid des zweiten Kühlkreislaufes entlang eines entsprechend langen Strömungswegs durch das Gehäuse strömt und entsprechend viel Wärme aufnehmen kann. Der Einlass und/oder der Auslass weist insbesondere eine Befestigungstechnik, insbesondere einen Schlauchanschluss, auf, mit deren Hilfe jeweils eine Versorgungsleitung des zweiten Kühlkreislauf angeschlossen werden können. Der erste Kühlkreislauf und/oder der zweite Kühlkreislauf ist insbesondere geschlossen ausgeführt, so dass dasselbe Fluid des jeweiligen Kühlkreislaufs im Kreis gefördert werden kann. Grundsätzlich ist es möglich, dass der mindestens eine Kühlkanal des ersten Kühlkreislaufs in einer Wand des Gehäuses vorgesehen ist. Vorzugsweise ist das Gehäuse separat zum ersten Kühlkreislauf ausgestaltet, so dass mindestens ein Kühlkanal des ersten Kühlkreislaufs an der Außenseite des Gehäuses aufgesetzt ist. Insbesondere begrenzt die Außenseite des Gehäuses einen Teil eines Kühlkanals des ersten Kühlkreislaufs, so dass ein entsprechend geringer Wärmeleitwiderstand zwischen dem Gehäuse und dem Fluid des ersten Kühlkreislaufs ausgebildet ist. Eine komplizierte Integration des ersten Kühlkreislaufs in die Geometrie des Gehäuses des Pulswechselrichters ist dadurch vermieden.
  • Ein geeignetes flüssiges Fluid für den zweiten Kühlkreislauf ist beispielsweise in WO 95/07323 A1 beschrieben. Durch die mit Hilfe des elektrisch isolierenden, insbesondere als Dielektrikum wirkende, Kühlfluid erreichte deutlich optimierte thermische Anbindung und/oder Entwärmung kann auch die Leistungsdichte sowie die Dauerleistungsfestigkeit des Pulswechselrichter verbessert werden. Der so ausgestaltete Pulswechselrichter eignet sich dadurch insbesondere für High-Performance-Anwendungen, beispielsweise für Sportwagen oder Rennfahrzeuge. Durch die direkte Kühlung der Leistungselektronik und/oder weiteren Komponenten kann eine gute Kühlleistung ohne die Gefahr eines Kurzschlusses erreicht werden, so dass ein Pulswechselrichter mit einer hohen Lebensdauer, einer hohen Leistungsdichte und einer hohen Dauerleistungsfestigkeit sogar in High-Performance-Anwendungen für sportliche Fahrzeuge ermöglicht ist.
  • Der Pulswechselrichter ist dazu ausgestaltet eine von der Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung zum Betrieb der elektrischen Maschine zu konvertieren und dadurch die elektrische Maschine zu regeln. Mit Hilfe, der über den Pulswechselrichter aus der Kraftfahrzeugbatterie gespeisten elektrischen Maschine kann das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden. Wenn das Kraftfahrzeug in einer bestimmten Betriebssituation elektrisch angetrieben werden soll, erhält der Pulswechselrichter ein entsprechendes Signal, um ein bestimmtes angefordertes Drehmoment elektrisch bereitzustellen. Hierzu kann der Pulswechselrichter in seiner Leistungselektronik entsprechende elektrische Spannungen einstellen, die in korrespondierende zu der elektrischen Maschine führende elektrische Ströme resultieren. Die Leistungselektronik kann, insbesondere als MOSFET ausgestaltete, Halbleiterschalter aufweisen, deren Gate zur Erzeugung der gewünschten Wechselspannung von einem Controller, insbesondere über Pulsweitenmodulation oder Space Vector Modulation, angesteuert wird. Durch einen über die Kontaktschienen parallel zur Leistungselektronik geschalteten Zwischenkreiskondensator können Spannungs- und Stromwelligkeiten geglättet werden, indem der Zwischenkreiskondensator entsprechend geladen und wieder entladen wird.
  • Insbesondere ist in dem Innenraum des Gehäuses ein mit der Leistungselektronik gekoppelter Zwischenkreiskondensator zur Glättung von Spannungswelligkeiten und/oder Stromwelligkeiten und/oder ein Treiber zum Schalten elektronischer Komponenten der Leistungselektronik und/oder des Zwischenkreiskondensators und/oder ein Controller zur Steuerung der Leistungselektronik in Reaktion auf ein Stellsignal angeordnet, wobei insbesondere der Zwischenkreiskondensator und/oder der Treiber und/oder der Controller von dem Fluid des zweiten Kühlkreislauf umspült ist. Dadurch können auch Komponenten des Pulswechselrichters, die gegebenenfalls eine geringere Wärmeentwicklung als die Leistungselektronik aufweisen, von dem Fluid des zweiten Kühlkreislaufs gekühlt werden, so dass die Kühlleistung für den Pulswechselrichter und damit der Wirkungsgrad des Pulswechselrichters weiter verbessert werden kann.
  • Die Leistungselektronik kann insbesondere eine Kummutierungszelle aufweisen, die mehrere Halbleiterschalter aufweisen kann. Insbesondere kann ein Zwischenkondensator in der Leistungselektronik integriert sein, beispielsweise sich eine gemeinsame Platine mit der übrigen Leistungselektronik teilen, wobei der Zwischenkondensator alternativ als separate Baueinheit vorgesehen sein kann, die mit der übrigen Leistungselektronik verschaltet ist. Die in der Leistungselektronik verwendeten Halbleiterschalter können insbesondere auf Silizium (IGBTs) und/oder Siliziumcarbit (Mosfets) basieren. Vorzugsweise sind in der Leistungselektronik Sensoren für die Erfassung elektrischer Spannungen und/oder elektrischer Ströme integriert.
  • Der Treiber, der auch als Gate-Treiber bezeichnet wird, kann die Halbleiterschalter der Leistungselektronik ansteuern. Der Treiber ist insbesondere niederinduktiv an der Leistungselektronik angebunden und hierzu vorzugsweise besonders nah an der Leistungselektronik positioniert. Der Treiber kann in der Leistungselektronik integriert sein, beispielsweise sich eine gemeinsame Platine mit der übrigen Leistungselektronik teilen, wobei der Treiber alternativ als separate Baueinheit vorgesehen sein kann, die mit der übrigen Leistungselektronik verschaltet ist.
  • Der Controller kann die Regelung der über die Leistungselektronik angesteuerten elektrischen Maschine bereitstellen. Der Controller kann insbesondere die einzustellende Wechselspannung berechnen und mit Hilfe des Treibers über ein geeignetes Modulationsverfahren, insbesondere Pulsweitenmodulation oder Space Vectoring Modulation, die Halbleiterschalter der Leistungselektronik ansteuern. Vorzugsweise können hierbei Messwerte von Sensoren in der Leistungselektronik an den Controller übermittelt werden, um eine Regelung der Leistungselektronik zu verbessern.
  • Vorzugsweise ist der Controller in einem von dem Fluid des zweiten Kühlkreislauf separierten Trockenraum vorgesehen, wobei mit dem Controller verbundene elektrische Leitungen und/oder Signalleitungen durch eine Trennwand des Trockenraums hindurch in den mit dem des zweiten Kühlkreislauf kommunizierenden Innenraum geführt sind. Je nach Ausgestaltung des Controllers und seiner Anschlusstechnik, kann es vorteilhaft sein, den Controller nicht in den fluiddicht abgedichteten Teil des von dem Fluid des zweiten Kühlkreislaufs durchströmten Teil des Innenraums vorzusehen. Eine Leckage des Fluids über die Anschlusstechnik des Controllers kann dadurch vermieden werden. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Wärmeentwicklung des Controllers in der Regel nicht leistungslimitierend ist und aus Kostengründen eine Flüssigkeitskühlung durch das Fluid des zweiten Kühlkreislauf eingespart werden kann, wenn dies eine kostengünstigere Anschlusstechnik des Controllers ermöglicht. Unnötige Kostensteigerungen können dadurch vermieden werden.
  • Besonders bevorzugt weisen im Innenraum des Gehäuses vorgesehene elektronische Komponenten und/oder elektrische Leitungen und/oder Signalleitungen elektrisch leitfähige Elemente auf, wobei zumindest ein Teil der elektrisch leitfähigen Elemente im direkten Kontakt mit dem Fluid stehen und/oder zumindest ein Teil der elektrisch leitfähigen Elemente mit einem Korrosionsschutz, insbesondere ein Lack und/oder eine Vergussmasse, abgedeckt sind. Je nach Ausgestaltung der elektrischen Komponenten, insbesondere der Halbleiterschalter, kann ein direkter Kontakt zwischen dem elektrisch leitfähigen Material, wo die Wärme entsteht, und dem elektrisch nicht leitfähigen Fluid des zweiten Kühlkreislaufs zugelassen werden, um einen möglichst geringen Wärmeleitwiderstand zu erreichen. Fall eine Beeinträchtigung des elektrisch leitfähigen Materials, beispielsweise durch Korrosionseffekte, zu befürchten ist, kann zwischen dem elektrisch leitfähigen Material und dem Fluid eine Schutzschicht, insbesondere in Form eines Lacks oder einer Vergussmasse, vorgesehen sein, so dass immer noch ein geringer Wärmeleitwiderstand aber eine ausreichend hohe Lebensdauer sichergestellt ist.
  • Insbesondere kühlen der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf die Leistungselektronik im Kreuzstrom. Die durchschnittliche Strömungsrichtung des ersten Kühlkreislaufs und die durchschnittliche Strömungsrichtung des zweiten Kühlkreislaufs können im Bereich des Pulswechselrichters im Wesentlichen rechtwinkelig ausgerichtet sein. Vorzugsweise ist sind die Strömungsrichtungen des ersten Kühlkreislaufs und des zweiten Kühlkreislaufs im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, wobei insbesondere die Strömungsrichtungen des ersten Kühlkreislaufs und des zweiten Kühlkreislaufs in vertikaler Richtung zueinander versetzt vorgesehen sein können. Beispielsweise kann der erste Kühlkreislauf eine Außenseite an der Unterseite des Gehäuses kühlen, wobei insbesondere die Außenseite der Unterseite einen Teil eines Kühlkanals des ersten Kühlkreislaufs begrenzt.
  • Vorzugsweise weist der erste Kühlkreislauf einen mit der Erstreckung der Leistungselektronik korrespondierenden Strömungsquerschnitt auf, wobei die Erstreckung des Innenraums und des Gehäuses größer als die Erstreckung der Leistungselektronik ist. Der erste Kühlkreislauf kühlt dadurch im Wesentlichen nur in denjenigen Teilbereich des Gehäuses, wo die Leistungselektronik vorgesehen ist. Hierbei kann berücksichtigt werden, dass durch den zweiten Kühlkreislauf bereits eine ausreichende Kühlung der übrigen Komponenten des Pulswechselrichter erreicht ist, die in der Regel nicht so warm wie die Leistungselektronik werden, so dass eine unnötig großflächige Kühlung durch den ersten Kühlkreislauf vermieden ist. Der erste Kühlkreislauf kann dadurch kleiner dimensioniert werden, beispielsweise mit einer kleiner dimensionierten Pumpe, so dass das Vorsehen von zwei zu einander separaten Kühlkreisläufen für die Kühlung des Pulswechselrichter nur zu einer überraschend geringen Erhöhung des Energiebedarfs führt.
  • Besonders bevorzugt ist der zweite Kühlkreislauf zur Erzeugung einer turbulenten Strömung zumindest im Bereich der Leistungselektronik ausgebildet. Durch die turbulente Strömung des Fluid des zweiten Kühlkreislaufs kann der Wärmetransport von der Leistungselektronik an das Gehäuse verbessert und dadurch schneller an das Fluid des ersten Kühlkreislaufs abgeführt werden. Hierzu kann der zweite Kühlkreislauf eine entsprechend hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisen und/oder im Innenraum des Gehäuses sind geeignete Leitelemente zum Umlenken und/oder Verwirbeln der Strömung des Fluid des zweiten Kühlkreislaufs vorgesehen.
  • Insbesondere ist die Leistungselektronik und/oder weitere Komponenten über, insbesondere von einer Platine, abstehende Stege, insbesondere an dem Gehäuse, abgestützt, wobei der zweite Kühlkreislauf hergerichtet ist, das Fluid zwischen den Stegen hindurch zu fördern. Mit Hilfe der abstehenden Stege, kann zwischen einem Gehäuse der jeweiligen Komponente und einer Leiterplatine der jeweiligen Komponente ein Abstand zu einem benachbarten Teil des Pulswechselrichters, insbesondere das Gehäuse und/oder eine Leiterschiene und/oder einer weiteren Komponente, ausgebildet werden. Dieser Zwischenraum kann von dem Fluid des zweiten Kühlkreislaufs durchströmt werden, um die jeweilige Komponente, insbesondere die Leistungselektronik, zu umströmen und kühlen zu können. Vorzugsweise sind die Stege strömungstechnisch optimiert. Beispielsweise weisen die Stege einen runden, elliptischen, keilförmigen und/oder tropfenförmigen Querschnitt zur Bereitstellung eines geringen Strömungswiderstands auf.
  • Vorzugsweise weist die Leistungselektronik in einen Strömungsquerschnitt des ersten Kühlkreislaufs hinein abstehende Kühlstrukturen auf. Die beispielsweise als Kühlrippen ausgestalteten Kühlstrukturen der Leistungselektronik können durch das Gehäuse des Pulswechselrichters hindurch in einen Kühlkanal des ersten Kühlkreislaufs hinein abstehen. Die Kühlleistung kann dadurch weiter verbessert werden.
  • Besonders bevorzugt ist das Gehäuse aus einem metallischen Material hergestellt. Das Gehäuse kann dadurch einen im Vergleich zu einem Kunststoffmaterial geringeren Wärmeleitwiderstand aufweisen, wodurch die Wärmeabfuhr an das Fluid des ersten Kühlkreislaufs weiter verbessert ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
    • 1 eine schematische teilgeschnittene Draufsicht auf einen Pulswechselrichter,
    • 2 eine schematische seitliche Schnittansicht eines ersten Details des Pulswechselrichters aus 1,
    • 3 eine schematische seitliche Schnittansicht eines zweiten Details des Pulswechselrichters aus 1 und
    • 4 eine schematische seitliche Schnittansicht eines dritten Details des Pulswechselrichters aus 1.
  • Der in 1 dargestellte Pulswechselrichter 10 kann zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs verwendet werden, insbesondere um die elektrische Maschine zum rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs in Reaktion auf einen Fahrerwunsch entsprechend anzutreiben und aus einer Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere wiederaufladbare Traktionsbatterie, zu speisen. Der Pulswechselrichter 10 kann hierzu eine in einem Innenraum 12 eines metallischen Gehäuses 14 vorgesehene Leistungselektronik 16 aufweisen, die insbesondere aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein kann. Die Leistungselektronik 16 kann über elektrische Leitungen 18 mit einem Zwischenkreiskondensator 20 und einem Treiber 22 elektrisch verbunden sein. Der Treiber 22 kann von einem Controller 24 angesteuert werden, der insbesondere mit Sensoren in der Leistungselektronik 16, die beispielsweise Spannungen und/oder Stromstärken messen, verbunden sein kann. Der Controller 24 kann einen Fahrerwunsch detektieren und hierzu den Treiber 22 unter Berücksichtigung der in der Leistungselektronik 16 gemessenen Spannungen und/oder Stromstärken ansteuern, so dass der Treiber 22 Halbleiterschalter in der Leistungselektronik16 und/oder in dem Zwischenkreiskondensator 20 geeignet schalten kann.
  • Mit Hilfe eines an einer Außenseite 26 des Gehäuses 14 vorgesehenen Kühlkanal 28 eines ersten Kühlkreislaufs 30, kann das Gehäuse 14, insbesondere eine Unterseite des Gehäuses 14 gekühlt werden. Insbesondere ist der Kühlkanal 28 des ersten Kühlkreislaufs 30 nur in dem Flächenbereich des Gehäuses 14 vorgesehen, in dem auch die Leistungselektronik 16 vorgesehen ist. Zusätzlich weist das Gehäuse einen Einlass 32 und einen Auslass 34 auf, so dass en elektrisch isolierendes und dielektrisches Fluid eines zweiten Kühlkreislaufs 36 den Innenraum 12 des Gehäuses 14 im Kreuzstrom zu ersten Kühlkreislauf 30 durchströmen kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel können die Leistungselektronik 16, der Zwischenkreiskondensator 20, der Treiber 22 und die elektrischen Leitungen 18 von dem Fluid des zweiten Kühlkreislaufs 36 umspült werden, wobei der Controller 24 zur Sicherheit in einem gegenüber dem Fluid des zweiten Kühlkreislaufs 36 abgedichtete Trockenraum 38 vorgesehen ist.
  • Wie in 2 dargestellt ist, können die als Stromschienen ausgestalteten elektrischen Leitungen an Komponenten des Pulswechselrichters 10, beispielsweise die Leistungselektronik 16, und/der dem Gehäuse 14 über Stege 40 abgestützt sein. Durch die Stege 40 werden Zwischenräume 42 ausgebildet, durch die das Fluid des zweiten Kühlkreislaufs 36 an der jeweiligen Komponente des Pulswechselrichters 10 und/oder dem Gehäuse entlangströmen kann.
  • Wie in 3 dargestellte ist, kann beispielsweise der Zwischenkreiskondensator 20 an beiden Seiten des Gehäuses 14 über die Stege 40 beabstandet abgestützt sein. Der Zwischenkreiskondensator 20 und/oder eine andere Komponente des Pulswechselrichters 10 kann dadurch an beiden Seiten und/oder an der Unterseite und/der der Oberseite von dem Fluid des zweiten Kühlkreislaufs 36 umströmt werden.
  • Wie in 4 dargestellt ist, kann beispielsweise die Leistungselektronik 16 als Kühlrippen ausgestaltete Kühlstrukturen 44 aufweisen, die durch das Gehäuse 14 hindurch in den Kühlkanal 28 des ersten Kühlkreislaufs 30 hinein abstehen können. Insbesondere wenn die Leistungselektronik 16 über die Stege 40 zu dem Gehäuse 14 beabstandet ist, kann auch das Fluid des zweiten Kühlkreislaufs 36 Wärme von den Kühlstrukturen 44 abführen. Alternativ kann die Leistungselektronik 16 unmittelbar oder über ein Wärmeleitpad an dem Gehäuse 14 anliegen.

Claims (10)

  1. Pulswechselrichter (10) zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs aus einer Kraftfahrzeugbatterie, mit einem Gehäuse (14) zur Begrenzung eines Innenraums (12), einer in dem Innenraum (12) des Gehäuses (14) vorgesehenen Leistungselektronik (16) zur Wandlung vom Gleichstrom in Wechselstrom, einem ersten Kühlkreislauf (30) zur Abfuhr von Wärme von einer von der Leistungselektronik (16) wegweisenden Außenseite (26) des Gehäuses (14) und einem vom dem ersten Kühlkreislauf (30) separierten und mit dem Innenraum (12) des Gehäuses (14) kommunizierenden zweiten Kühlkreislauf (36) zur direkten Flüssigkeitskühlung der Leistungselektronik (16) durch ein elektrisch isolierendes Fluid.
  2. Pulswechselrichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (12) des Gehäuses (14) ein mit der Leistungselektronik gekoppelter Zwischenkreiskondensator (20) zur Glättung von Spannungswelligkeiten und/oder Stromwelligkeiten und/oder ein Treiber (22) zum Schalten elektronischer Komponenten der Leistungselektronik (16) und/oder des Zwischenkreiskondensators (20) und/oder ein Controller (24) zur Steuerung der Leistungselektronik (16) in Reaktion auf ein Stellsignal angeordnet ist, wobei insbesondere der Zwischenkreiskondensator (20) und/oder der Treiber (22) und/oder der Controller (24) von dem Fluid des zweiten Kühlkreislauf (36) umspült ist.
  3. Pulswechselrichter nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (24) in einem von dem Fluid des zweiten Kühlkreislauf (36) separierten Trockenraum (38) vorgesehen ist, wobei mit dem Controller (24) verbundene elektrische Leitungen (18) und/oder Signalleitungen durch eine Trennwand des Trockenraums (38) hindurch in den mit dem des zweiten Kühlkreislauf (36) kommunizierenden Innenraum (12) geführt sind.
  4. Pulswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (12) des Gehäuses (14) vorgesehene elektronische Komponenten und/oder elektrische Leitungen (18) und/oder Signalleitungen elektrisch leitfähige Elemente aufweisen, wobei zumindest ein Teil der elektrisch leitfähigen Elemente im direkten Kontakt mit dem Fluid stehen und/oder zumindest ein Teil der elektrisch leitfähigen Elemente mit einem Korrosionsschutz, insbesondere ein Lack und/oder eine Vergussmasse, abgedeckt sind.
  5. Pulswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (30) und der zweite Kühlkreislauf (36) die Leistungselektronik (16) im Kreuzstrom kühlen.
  6. Pulswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (30) einen mit der Erstreckung der Leistungselektronik (16) korrespondierenden Strömungsquerschnitt aufweist, wobei die Erstreckung des Innenraums (12) und des Gehäuses (14) größer als die Erstreckung der Leistungselektronik (16) ist.
  7. Pulswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (36) zur Erzeugung einer turbulenten Strömung zumindest im Bereich der Leistungselektronik (16) ausgebildet ist.
  8. Pulswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (16) und/oder weitere Komponenten über, insbesondere von einer Platine, abstehende Stege (40), insbesondere an dem Gehäuse (14), abgestützt ist, wobei der zweite Kühlkreislauf (36) hergerichtet ist, das Fluid zwischen den Stegen (40) hindurch zu fördern.
  9. Pulswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (16) in einen Strömungsquerschnitt des ersten Kühlkreislaufs (30) hinein abstehende Kühlstrukturen (44) aufweist.
  10. Pulswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) aus einem metallischen Material hergestellt ist.
DE102021121444.0A 2021-08-18 2021-08-18 Gekühlter Pulswechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs Active DE102021121444B3 (de)

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