CN111098667B - 用于车辆的电力电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆(2)的电力电子设备(1)，该电力电子设备包括至少一个中间单元(3)、至少一个电力电子单元(7)、至少一个加热设备(9)，所述至少一个中间单元具有至少一个流体管***(4)，该流体管***流体连接到流体入口(5)和流体出口(6)；所述至少一个电力电子单元至少布置在中间单元(3)的表面(8)处；所述至少一个加热设备至少布置在中间单元(3)的表面(8)处。

Description

用于车辆的电力电子设备
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的电力电子设备。
背景技术
这种电力电子设备特别用于全电动车辆和/或混合动力车辆，以在车辆的电能存储设备和车辆的电能消耗器之间转换电能。
除了电力电子设备外，在电动汽车和/或混合动力汽车中还使用了独立的加热设备，这些加热设备将电能转换为热能，以便对汽车的某些子区域进行加热，因为与常规车辆相比，没有或至少暂时没有来自内燃机的废热能。
发明内容
本发明的目的是发现对电力电子设备和加热设备成本更有效以及更紧凑的设计。
根据本发明，该问题通过独立权利要求的主题解决。有利的实施方案是从属权利要求的主题。
本发明基于使用电力电子设备的废热能来加热车辆的某些子区域的一般思想。
根据本发明的用于车辆的电力电子设备包括至少一个中间单元，该至少一个中间单元具有至少一个流体管***，该至少一个流体管***流体连接到流体入口和流体出口。流体入口和流体出口能够布置在电力电子设备的壳体的外部。
中间单元可以由导热材料制成，该导热材料具有至少比空气的导热率高的导热率。该导热材料能够例如是金属材料。中间单元可以构造成基本上板状的元件。该板状元件可以具有至少六个表面侧，其中这些表面侧中的两个可以构成主表面侧。主表面侧的面积总和能够包括板状元件的总表面的至少一半。中间单元能够由焊接在一起的至少两个半壳构造成。可以设置中间单元可以构造为堆叠式热交换器。
根据本发明的电力电子设备还具有至少一个电力电子单元，所述至少一个电力电子单元至少布置在中间单元的表面处。电力电子设备可以具有电输入端子和电输出端子，其中电输入端子可以导电地连接到电力电子单元，并且电输出端子可以导电地连接到电力电子单元。
通过电力电子单元转换并且能够经由电输出端子耗散的电能可以经由电输入端子提供给电力电子单元。
电力电子单元可以具有整流器单元，所述整流器单元配置为将交流电压转换为直流电压或将交流电流转换为直流电流。电力电子单元还可以具有转换器单元，所述转换器单元配置为将直流电压转换为交流电压或将直流电流转换为交流电流。电力电子单元还能够具有直流控制器单元，所述直流控制器单元配置为将直流电压转换为较高或较低的直流电压。电力电子单元还可以具有交流控制器单元和/或变频器单元，所述交流控制器单元和/或变频器单元配置为转换交流电压的频率和/或振幅。电力电子单元还可以包括充电单元，所述充电单元能够耦合到存在于车辆外部的外部电源，以便至少暂时地将来自外部电源的电能提供给车辆的电能存储装置。
根据本发明的电力电子设备具有至少一个加热设备，所述至少一个加热设备至少布置在中间单元的表面处。加热设备可以具有电阻加热元件和/或厚膜加热元件，以便将电能转换成热能，从而提供期望的热功率。加热设备还能够具有PTC元件(PTC＝正温度系数)，所述PTC元件包括具有正温度系数的随温度变化的电阻，其中在PTC元件的电阻和温度之间存在非线性关系。如果超过极限温度，则PTC元件的电阻会随着温度的升高而非线性升高。
加热设备可以与电力电子单元导电连接并且可以通过该电力电子单元分别提供合适的电功率或电能。
中间单元可以通过流体入口和流体出口流体连接到车辆的流体回路，使得流体，特别是冷却剂和/或制冷剂流经中间单元。当流体流经中间单元时，可以通过电力电子单元的废热和/或通过加热元件的热功率被加热。
因此，根据本发明的电力电子设备具有集成的加热设备，因为不需要用于单独的加热设备的结构空间，从而减少了对车辆内部的空间需求。因为电力电子单元和加热设备共享电力电子设备的部件，生产成本进一步显著降低，否则这些部件将要提供至少两次。这包括例如电力电子设备的至少一个壳体和/或电输入端子和电输出端子。
根据本发明的电力电子设备可以用于加热车辆的子区域的方法中。电力电子设备可以由此在第一运行模式下运行，在该第一运行模式中，电力电子单元打开并且加热设备关闭。电力电子设备可以在第二运行模式下运行，在该第二运行模式中，电力电子单元关闭并且加热设备打开。电力电子设备可以在第三运行模式下运行，在该第三运行模式中，电力电子单元和加热设备打开。
可以设置，彼此间隔开的多个电力电子单元布置在中间单元的至少一个表面处。可以设置，彼此间隔开的多个加热设备布置在中间单元的至少一个表面处。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，相对于流经流体管***的流体流，加热设备布置在电力电子单元的下游。这里，流体流可以理解为是流体在流体入口和流体出口之间沿流体管***的流动方向。由此可以防止由加热设备提供的热能导致对电力电子单元的加热。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，加热设备和电力电子单元布置在中间单元的不同表面侧上。可以设置，电力电子单元布置在中间单元的第一主表面侧上，并且加热设备布置在中间单元的第二主表面侧上。可以设置，这两个主表面侧布置为彼此间隔开并且基本上彼此平行。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，中间单元至少由第一中间元件和至少第二中间元件构成。这里，第一中间元件具有至少一个第一流体管，其中第二中间元件具有至少一个第二流体管。第一流体管和第二流体管形成流体管***。
可以设置，第一中间元件由焊接在一起的至少两个半壳构成。可以设置，第一中间元件构造为堆叠式热交换器。还可以设置，第二中间元件由焊接在一起的至少两个半壳构成。可以设置，第二中间单元构造为堆叠式热交换器。
还可以想到的是，第一中间元件包括第一半壳，并且第二中间元件包括第二半壳，其中可以在第一半壳和第二半壳之间设置中间板。从而能够将第一半壳、中间板和第二半壳彼此焊接。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，第一中间元件具有第一流体入口和第一流体出口，第一流体入口和第一流体出口流体连接到第一流体管。还可以设置，第二中间元件具有第二流体入口和第二流体出口，第二流体入口和第二流体出口流体连接到第二流体管。这提供了中间单元到车辆的至少两个流体回路的流体连接。例如可以设置，在第一流体管和第二流体管之间不存在流体连接。可以设置，第一中间单元基本上设置用于冷却电力电子单元。可以设置，第二中间元件基本上设置为加热车辆的空调回路(HVAC单元)和/或电池冷却回路的流体。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，第一流体管和第二流体管彼此流体连接，以便提供第一中间元件和第二中间元件之间的流通。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，第一中间元件至少部分地布置在第二中间元件处，以便实现电力电子设备的尽可能紧凑的构造。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，第一中间元件和第二中间元件通过材料配合的方式至少部分地彼此连接，以便增加电力电子设备的机械阻力。这种材料配合的方式能够通过例如焊接和/或粘附实现。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，第一中间元件和第二中间元件通过附加层至少部分地彼此连接。根据电力电子设备的设计，与第一中间元件和第二中间元件的材料相比，附加层能够构造为导热或隔热的。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，第一流体管构造成基本上是直的，其中第二流体管构造成基本上是直的。可以设置，第一流体管中的流动方向设置为与第二流体腔室中的流动方向相反。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，第一流体管构造成基本上是U型的，其中第二流体管构造成基本上是U型的。可以设置，第一流体管中的流动方向设置为与第二流体管中的流动方向相反。可以设置，第一流体管中的流动方向对应于第二流体管中的流动方向。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，加热设备布置在第一中间元件和第二中间元件之间，以便使到流体的热能传递最大化。加热设备由此能够特别地包括PTC元件。还可以设置，加热设备和/或流体管***和/或中间元件以这样的方式构造，使得形成热功率在第一中间元件和第二中间元件上的不对称分布。因此可以设置将电力电子单元布置在中间元件处，较低的热功率传递到该中间元件。
例如，可以设置，将热功率的三分之一传递到第一中间元件，并且将热容量的三分之二传递到第二中间元件，其中在这种情况下，电力电子单元可以布置在第一中间元件的表面处。还可以想到的是，通过调整分别流经第一中间元件或第二中间元件的单位时间的流体量来实现热功率的不对称分布。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，设置有第一壳体部分和第二壳体部分，其中电力电子单元布置在中间单元和第一壳体部分之间，其中加热设备布置在中间单元和第二壳体部分之间。中间单元的流体入口和流体出口可以布置在电力电子设备的第一壳体部分和第二壳体部分的外部。
第一壳体部分和第二壳体部分例如可以由金属材料和/或塑料制成，其中也可以考虑金属材料与塑料的组合。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，流体管***具有湍流***件。可以通过湍流***件调整在流体流经中间单元时的吸热或散热。
在根据本发明的解决方案的有利的改进的情况下，电力电子单元和/或加热设备通过材料配合的方式附接到中间单元的表面，以便建立有利的热接触。这种材料配合的方式能够例如通过焊接和/或粘附实现。
在根据本发明的解决方案的有利的改进的情况下，中间单元形成电力电子设备的壳体和/或壳体部分的壳体壁，特别是形成壳体底部。例如可以设置，中间单元通过连接元件可释放地连接到壳体和/或壳体部分。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，第一流体管***构造成至少局部基本上是直的和/或至少局部基本上是U形的。
在根据本发明的解决方案的有利的改进的情况，仅设置一个中间单元。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，相对于流经流体管***的流体流，电力电子单元和加热设备串联地布置在中间单元处。串联应该理解为，电力电子单元和加热设备沿流体流动方向彼此间隔地布置在中间单元上。可以设置，电力电子单元和加热设备布置在中间单元的相同的表面侧上。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，提供了构造不同的至少两个湍流***件。可以设置，湍流***件沿着流体流或流动方向变化，使得获得不同的热耦合度和/或热解耦度。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，中间单元具有至少一个中间元件和/或冷却元件，所述至少一个中间元件和/或冷却元件重塑并焊接在一起。这样的中间元件和/或冷却元件能够由焊接在一起的各个单独的或分离的重塑片制成。这种中间元件和/或冷却元件能够构造成板式热交换器，所述板式热交换器由单独的片构造和/或设置。
可以设置，第一中间元件形成中间元件和/或冷却元件，所述中间元件和/或冷却元件重塑并焊接在一起。这样的中间元件和/或冷却元件可以由焊接在一起的各个单独的或分离的重塑片制成。这种中间元件和/或冷却元件可以构造成板式热交换器，所述板式热交换器由单独的片构造和/或设置。
可以设置，第二中间元件形成中间元件和/或冷却元件，所述中间元件和/或冷却元件重塑并焊接在一起。这样的中间元件和/或冷却元件可以由焊接在一起的各个单独的或分离的重塑片制成。这种中间元件和/或冷却元件可以构造成板式热交换器，所述板式热交换器由单独的片构造和/或设置。
第一中间元件能够相对于第二中间元件独立地构造。
本发明的其它重要特征和优点从从属权利要求，附图以及基于附图的相应的附图说明中得出。
不言而喻，上述特征和以下将要描述的特征不仅可以以各自指定的组合使用，而且可以以其它组合或单独使用，而不会脱离本发明的范围。
附图说明
在附图中示出了本发明的优选的实施例，并且在下面的说明中将对其进行详细描述，其中，相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的部件。
分别示意性地
图1示出包括根据本发明的电力电子设备的车辆的简化原理示意图，
图2示出根据本发明的电力电子设备的简化原理示意图，
图3示出根据本发明的电力电子设备的另一实施方案的简化原理示意图，
图4示出根据本发明的包括两个中间元件的电力电子设备的简化原理示意图，
图5示出根据本发明的包括两个中间元件和一个附加层的电力电子设备的简化原理示意图，
图6示出根据本发明的包括两个中间元件的电力电子设备的简化原理示意图，其中在中间元件之间设置有两个加热设备，
图7示出根据本发明的包括两个中间元件的电力电子设备的另一实施方案的简化原理示意图，
图8示出第一中间元件和第二中间元件的俯视图，
图9示出根据本发明的电力电子设备的另一实施方案的简化原理示意图。
具体实施方式
在图1中示出包括根据本发明的电力电子设备1的车辆2的简化原理示意图，其中电力电子设备1经由电线29导电地连接到车辆2的能量存储设备24以及电能消耗器25。能量存储设备24可以例如是车辆2的电池单元，所述电池单元分别提供预定的直流电压或预定的直流电流。电能消耗器25可以例如是为了正常运行需要交流电压或交流电流的电机单元。电力电子设备1将由能量存储设备24提供的电能转换成电能消耗器25所需的电能。
电力电子设备1流体连接到车辆2的流体回路26，其中流体回路具有多个流体管线28，所述多个流体管线将车辆2的子区域27流体连接到电力电子设备1。子区域27可以包括例如车辆内部和/或电池单元。电力电子设备1提供的热功率能够通过流体回路26传输到子区域27。流体回路26可以具有未示出的流体输送设备。
在图2中示出根据本发明的电力电子设备1的简化原理示意图，其中示出了电力电子设备1在其部件组装之前的状态。电力电子设备1具有第一壳体部分21和第二壳体部分22，在第一壳体部分和第二壳体部分之间布置有中间单元3。在例如图3中示出的电力电子设备1的组装状态下，第一壳体部分21的子区域邻接中间单元3，其中第二壳体部分22的子区域邻接中间单元3。
中间单元3具有流体管***4，所述流体管***流体连接到流体入口5和流体出口6。流体管***4布置在中间单元3的内部。中间单元3具有总表面8，所述总表面包括多个表面侧，其中第一表面侧10和第二表面侧11彼此相对。
电力电子单元7布置在中间单元3的第一表面侧10上。加热设备9布置在中间单元3的第二表面侧11上。通过未示出的线对电力电子单元7供应电能并且以预定方式转换该电能，其中电能被部分地转换成热量。能够通过流经流体管***的流体吸收该热能。吸收的热能能够被传输到车辆2的子区域27，以便加热该子区域27。如果由电力电子单元7耗散的热能不足，则能够通过加热设备9向流体提供附加的热能。
在图3中示出根据本发明的电力电子设备1的另一实施方案的简化原理示意图，该电力电子设备具有第一壳体部分21和第二壳体部分22，在第一壳体部分和第二壳体部分之间布置有中间单元3。这里，第一壳体部分21的子区域邻接中间单元3，其中第二壳体部分22的子区域邻接中间单元3。
中间单元3具有流体管***4，所述流体管***流体连接到流体入口5和流体出口6。流体管***4布置在中间单元3的内部。中间单元3具有多个表面侧，其中第一表面侧10和第二表面侧11彼此相对。
第一电力电子单元7和第二电力电子单元7a布置在中间单元3的第一表面侧10上。第一加热设备9和第二加热设备9a布置在中间单元3的第二表面侧11上。第一电力电子单元7和第二电力电子单元7a可以彼此间隔开布置。第一加热设备9和第二加热设备9a可以彼此间隔开布置。
在图4中示出根据本发明的电力电子设备1的简化原理示意图，其中中间单元3由第一中间元件12和第二中间元件13构成。
电力电子设备1具有第一壳体部分21和第二壳体部分22，在第一壳体部分和第二壳体部分之间布置有中间单元3。在电力电子设备1的组装状态下(未示出)，第一壳体部分21的子区域邻接第一中间元件12，其中第二壳体部分22的子区域邻接第二中间元件13。
第一中间元件12和第二中间元件13的表面形成中间单元3的总表面8，其中每个中间元件具有多个表面侧。第一中间元件12的表面侧形成中间单元3的第一表面侧10，第二中间元件13的第二表面侧形成中间单元3的第二表面侧11。
第一中间元件12具有第一流体管14，所述第一流体管流体连接到流体入口5。第二中间元件13具有第二流体管15，所述第二流体管流体连接到流体入口6。第一流体管14和第二流体管15形成中间单元3的流体管***。由此可以设置，第一流体管14和第二流体管15彼此流体连接。
在图5中示出根据本发明的电力电子设备1的简化原理示意图，其中未示出第一壳体部分21和第二壳体部分22。与图4相比，在图5的实施方案中在第一中间元件12和第二中间元件13之间布置有附加层20，该附加层例如可以构造成是热绝缘的。
在图6中示出根据本发明的电力电子设备1的简化原理示意图，其中第一中间元件12和第二中间元件13彼此间隔地布置，其中第一加热设备9和第二加热设备9a布置在第一中间元件12和第二中间元件13之间。为了清楚起见，在该图中仅示出第一壳体部分21，由此可以设置相应的第二壳体部分22。
第一中间元件12具有第一流体入口16和第一流体出口17，其中第二中间元件13具有第二流体入口18和第二流体出口19。第一中间元件12具有第一流体管14，所述第一流体管流体连接到第一流体入口16和第一流体出口17。第二中间元件13具有第二流体管15，所述第二流体管流体连接到第二流体入口18和第二流体出口19。
第一电力电子单元7和第二电力电子单元7a布置在第一中间元件12的表面侧上，其中第一加热设备9和第二加热设备9a布置在第一中间元件12的相对的表面侧。另外，第一加热设备9和第二加热设备9a布置在第二中间元件13的表面侧上。第一电力电子单元7和第二电力电子单元7a可以彼此间隔开布置。第一加热设备9和第二加热设备9a能够彼此间隔开布置。
与图6相比，在图7中，第三加热设备9b和第四加热设备9c布置在第二中间元件13的表面侧上，该表面侧与布置有第一加热设备9和第二加热设备9a的第二中间元件13的表面侧相对。
在图8中示出第一中间元件12和第二中间元件13的俯视图的原理示意图，其中，为清楚起见，示出的两个中间元件彼此错开。第一中间元件12具有第一流体管14，所述第一流体管具有U形路径。第二中间元件13具有第二流体管15，所述第二流体管具有U形路径。第一流体管14和第二流体管15具有湍流***件23，所述湍流***件能够产生湍流的流体流。第一流体管14和第二流体管15还能够通过连接管道30连接，使得流体管内部的流体具有基本相同的流动方向。
在图9中示出根据本发明的电力电子设备1的简化原理示意图，其中示出流体的流动方向32，所述流动方向从流体入口5到流体出口6流经中间元件3的流体管***4。中间元件3形成壳体31的壳体壁，特别是壳体底部。电力电子单元7和加热设备9彼此串联或沿流动方向32彼此间隔开地布置在中间单元3上。

Claims (22)

1.一种用于车辆(2)的电力电子设备(1)，包括
-至少一个中间单元(3)，所述至少一个中间单元具有至少一个流体管***(4)，所述至少一个流体管***流体地连接到流体入口(5)和流体出口(6)，
-至少一个电力电子单元(7)，所述至少一个电力电子单元至少布置在中间单元(3)的表面(8)上，
-至少一个加热设备(9)，所述至少一个加热设备至少布置在中间单元(3)的表面(8)上；
当流体流经中间单元(3)时，流体通过电力电子单元(7)的废热和/或通过加热设备(9)的热功率被加热。
2.根据权利要求1所述的电力电子设备(1)，其特征在于，相对于流经流体管***(4)的流体流，加热设备(9)布置在电力电子单元(7)的下游。
3.根据权利要求1或2所述的电力电子设备(1)，其特征在于，加热设备(9)和电力电子单元(7)布置在中间单元(3)的不同表面侧(10、11)上。
4.根据权利要求1所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
-中间单元(3)至少由第一中间元件(12)和第二中间元件(13)构成，
-其中所述第一中间元件(12)具有至少一个第一流体管(14)，
-其中所述第二中间元件(13)具有至少一个第二流体管(15)，
-其中第一流体管(14)和第二流体管(15)形成流体管***(4)。
5.根据权利要求4所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
-所述第一中间元件(12)具有第一流体入口(16)和第一流体出口(17)，所述第一流体入口和第一流体出口流体地连接到第一流体管(14)，
-所述第二中间元件(13)具有第二流体入口(18)和第二流体出口(19)，所述第二流体入口和第二流体出口流体地连接到第二流体管(15)。
6.根据权利要求4所述的电力电子设备(1)，其特征在于，第一流体管(14)和第二流体管(15)彼此流体地连接。
7.根据权利要求4至6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，第一中间元件(12)至少部分地布置在第二中间元件(13)处。
8.根据权利要求4至6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，第一中间元件(12)和第二中间元件(13)通过材料配合的方式至少部分地彼此连接。
9.根据权利要求4至6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，第一中间元件(12)和第二中间元件(13)通过附加层(20)至少部分地彼此连接。
10.根据权利要求4至6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
-第一流体管(14)构造成基本上是直的，
-第二流体管(15)构造成基本上是直的。
11.根据权利要求4至6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
-第一流体管(14)构造成基本上是U型的，
-第二流体管(15)构造成基本上是U型的。
12.根据权利要求4至6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
加热设备(9)布置在第一中间元件(12)和第二中间元件(13)之间。
13.根据权利要求1-2和4-6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
-设置有第一壳体部分(21)和第二壳体部分(22)，
-其中电力电子单元(7)布置在中间单元(3)和第一壳体部分(21)之间，
-其中加热设备(9)布置在中间单元(3)和第二壳体部分(22)之间。
14.根据权利要求1-2和4-6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，所述流体管***(4)具有湍流***件(23)。
15.根据权利要求1-2和4-6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
电力电子单元(7)和/或加热设备(9)通过材料配合的方式附接到中间单元(3)的表面(8)。
16.根据权利要求1-2和4-6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
中间单元(3)形成电力电子设备(1)的壳体(31)和/或壳体部分(21、22)的壳体壁。
17.根据权利要求1-2和4-6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
流体管***(4)设置为至少局部基本上是直的和/或至少局部基本上是U形的。
18.根据权利要求1-2和4-6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
仅设置一个中间单元(3)。
19.根据权利要求1-2和4-6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
相对于流经流体管***(4)的流体流，电力电子单元(7)和加热设备(9)串联地布置在中间单元(3)处。
20.根据权利要求14所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
设置至少两个湍流***件(23)，所述至少两个湍流***件具有不同的构造。
21.根据权利要求1-2和4-6之一所述的电力电子设备(1)，其特征在于，
中间单元(3)具有至少一个中间元件和/或冷却元件，所述至少一个中间元件和/或冷却元件重塑并焊接在一起。
22.根据权利要求16所述的电力电子设备(1)，其特征在于，所述壳体壁是壳体底部。
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