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Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe, die in Stromflussrichtung zwischen einer Batterie und einem Elektromotor eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Die Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe umfasst ein Halbleiterleistungsmodul, insbesondere ein IGBT-Modul oder MOSFET-Modul, beispielsweise mit einem SiC-MOSFET, ein Kondensatormodul, insbesondere mit einem Zwischenkreiskondensator, und eine Kühlvorrichtung.
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Bei zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen, beispielsweise einem Elektrokraftfahrzeug oder einem Hybridkraftfahrzeug, zählt das elektrische Antriebssystem, das unter anderem eine Batterie, einen Elektromotor und eine Leistungselektronik umfasst, zur Schlüsseltechnologie. Um die Reichweite von zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen zu maximieren, ist ein hoher Wirkungsgrad des gesamten elektrischen Antriebssystems eine wesentliche Voraussetzung. Dazu leistet der Einsatz einer wirkungsgradoptimierten Leistungselektronik einen hohen Beitrag.
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Unabhängig vom Einbauort im Kraftfahrzeug ist die Elektronik funktional zwischen der Batterie und dem Elektromotor positioniert. Die Elektronik sorgt dafür, dass die in der Batterie gespeicherte Energie entsprechend der Leistungsanforderung in der erforderlichen Stromstärke und Frequenz als DreiPhasen-Wechselstrom dem Elektromotor zur Verfügung gestellt wird. Über diese Parameter lässt sich der Elektromotor steuern.
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Durch die Leistungselektronik wird auch der umgekehrte Vorgang, das sogenannte Rekuperieren, ermöglicht, also das Aufladen der Batterie. Hierbei fungiert der Elektromotor als Generator, der Energie erzeugt. Die Leistungselektronik wandelt die elektrische Energie in Form eines Drei-Phasen-Wechselstroms in Gleichstrom um, um die Energie in der Batterie (zwischen) zu speichern.
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Die Leistungselektronik umfasst daher einen Wechselrichter und andere elektronische Bauteile. Ein üblicher Wechselrichter umfasst ein IGBT-Modul (insulated-gate bipolar transistor) oder ein MOSFET-Modul (metal oxide semiconductor field-effect transistor), ein Zwischenkreiskondensator-Modul und eine Steuerplatine. Üblicherweise sind das Halbleiterleistungsmodul und das Zwischenkreiskondensator-Modul nebeneinander angeordnet und werden jeweils von einem separaten Teil des Fluidkreislaufs gekühlt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Anzahl der verwendeten Einzelteile bei der Wechselrichterbaugruppe zu reduzieren und eine einfache, kostengünstige und platzsparende Wechselrichterbaugruppe zu schaffen, die keine Funktionseinbüßen hat.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe dadurch gelöst, dass die Kühlvorrichtung gleichzeitig dem Halbleiterleistungsmodul und dem Kondensatormodul zugeordnet ist, sodass die Kühlvorrichtung eine gemeinsame Kühlvorrichtung mit einem gemeinsamen Kühlkreislauf ist, also einem gemeinsamen zur Kühlung vorgesehen Fluidkreislauf. Hierbei ist die Kühlvorrichtung zwischen dem Halbleiterleistungsmodul und dem Kondensatormodul angeordnet, um gleichzeitig beide Module zu kühlen. Dadurch ist es möglich, die beiden Module mit nur einem zur Kühlung vorgesehenen Fluidkreislauf zu kühlen. Folglich wird die Anzahl an verwendeten Einzelteilen reduziert und eine kompaktere und kostengünstigere Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe ermöglicht, die zudem eine hohe Leistungsdichte aufweist. Zudem werden durch diese Anordnung der Module und der Kühlvorrichtung kurze Stromschienen ermöglicht, wodurch eine besonders niederinduktive Anbindung der beiden Module erreicht werden kann.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Kühlvorrichtung zumindest teilweise im Halbleiterleistungsmodul oder im Kondensatormodul vorgesehen ist, wobei die Kühlvorrichtung und das entsprechende Modul eine vormontierte Einheit bilden. Mit anderen Worten ist ein Gehäuse des entsprechenden Moduls zugleich zumindest Teil der Kühlvorrichtung bzw. umgibt das entsprechende Gehäuse die Kühlvorrichtung teilweise. Beispielsweise ist das Gehäuse ein Träger für die Kühlvorrichtung. Dadurch können Platz und Einzelteile eingespart werden. Des Weiteren kann die vormontierte Einheit leichter verbaut werden. Die Kühlvorrichtung kann an einer Oberseite oder einer Unterseite des entsprechenden Moduls angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest dem Halbleiterleistungsmodul oder dem Kondensatormodul ein topfförmiges Teilgehäuse zugeordnet, das mit der zum anderen Modul weisenden Seite offen ist, um einen Aufnahmeraum zu definieren. In dem Teilgehäuse kann wenigstens eines der Module zumindest teilweise aufgenommen sein, nämlich in dem Aufnahmeraum. An dem Teilgehäuse kann zudem das andere Modul angeordnet sein. Mit anderen Worten dient das Teilgehäuse als Träger für die beiden Module. Insbesondere stellt das andere Modul, das an dem Teilgehäuse angeordnet ist, einen deckelartigen Gehäuseabschnitt für die Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe dar.
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Beispielsweise stellt das eine Modul, insbesondere das Halbleiterleistungsmodul, einen Deckel für das topfförmige Teilgehäuse dar, in dem das andere Modul aufgenommen sein kann, insbesondere das Kondensatormodul.
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Das eine Modul, beispielsweise das Halbleiterleistungsmodul, und das topfförmige Teilgehäuse bilden zusammen das Gesamtgehäuse der Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe aus.
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Anders ausgedrückt hat die Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe ein Gesamtgehäuse, welches zumindest zweiteilig ausgebildet ist. Das Gesamtgehäuse weist das topfförmige Teilgehäuse sowie den deckelartigen Gehäuseabschnitt auf, der beispielsweise durch eines der Module selbst bereitgestellt wird.
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Darüber hinaus kann das Teilgehäuse als Verbindung zu einem Gehäuse des Elektromotors dienen.
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Das Gesamtgehäuse kann auch als Leistungselektronikgehäuse bezeichnet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Kühlvorrichtung und dem Halbleiterleistungsmodul und/oder dem Kondensatormodul zumindest eine thermisch leitende Komponente vorgesehen, über die das jeweilige Modul mit der Kühlvorrichtung thermisch gekoppelt ist, insbesondere wobei die thermisch leitende Komponente als eine komprimierbare Materialschicht ausgebildet ist. Die thermisch leitende Komponente überträgt die Kühlleistung der Kühlvorrichtung auf zumindest eines der Module, das hierzu mit der thermisch leitenden Komponente in thermischen Kontakt steht.
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Zudem können durch die komprimierbare Eigenschaft der thermisch leitenden Komponente unter anderem Vibrationen, Fertigungsungenauigkeiten bzw. Herstellungstoleranzen oder Ähnliches kompensiert werden.
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Ferner ergibt sich aufgrund der komprimierbaren Ausführung der thermisch leitenden Komponente, dass diese möglichst großflächig am zugeordneten Modul anliegt. Insbesondere werden Hohlräume zwischen der thermisch leitenden Komponente und dem Modul vermieden, die einen negativen Einfluss auf die thermische Anbindung und somit die Kühlung haben.
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Insbesondere weist die Kühlvorrichtung einen Kühlabschnitt auf, der eine Anlagefläche aufweist, an der die thermisch leitende Komponente anliegt, die mit einer entgegengesetzten Seite zumindest an einem Teil des Kondensatormoduls oder des Halbleiterleistungsmoduls anliegt. Die thermisch leitende Komponente kann mit einem oder beiden Modulen fest verbunden, beispielsweise angeklebt, sein oder zwischen den beiden Modulen geklemmt sein, sofern die Kühlvorrichtung im Halbleiterleistungsmodul oder im Kondensatormodul angeordnet ist. Auch kann es sich bei der thermisch leitenden Komponente um eine Wärmeleitpaste handeln, die aufgebracht worden ist.
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Gemäß einem Aspekt ist das Kondensatormodul in der Kühlvorrichtung aufgenommen und/oder bildet die Kühlvorrichtung zumindest einen Gehäuseabschnitt des Kondensatormoduls. Mit anderen Worten ist das Kondensatormodul zumindest teilweise in der Kühlvorrichtung integriert, beispielsweise zwischen wenigstens zwei Kühlabschnitten, insbesondere Kühllamellen bzw. -rippen, der Kühlvorrichtung angeordnet. Diese Anordnung weist den geringsten Einsatz von Einzelteilen auf und hat zudem den geringsten Bauraumbedarf. Ferner kann auch in dieser Anordnung der Module und der Kühlvorrichtung eine thermisch leitende Komponente vorgesehen sein, um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.
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Insbesondere ist es möglich, dass die Kühlvorrichtung, die das Kondensatormodul aufnimmt, das Kondensatormodul an mehreren Seiten kontaktiert, wodurch die Kühlwirkung und der Wirkungsgrad verbessert werden.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Kühlvorrichtung mehrere Kühlabschnitte, insbesondere Kühllamellen und/oder Kühlrippen, umfasst, zwischen denen das Kondensatormodul angeordnet ist. Das Kondensatormodul ist sozusagen zumindest teilweise in zumindest einem der Kühlabschnitte integriert oder zumindest einer der Kühlabschnitte bildet zumindest einen Teil eines Gehäuses für das Kondensatormodul, also einen Gehäuseabschnitt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung einen Teilabschnitt eines zur Kühlung vorgesehenen Fluidkreislaufs auf, wobei der Teilabschnitt eine Fluideinlass-Komponente und eine Fluidauslass-Komponente umfasst. Die Fluideinlass- und Fluidauslass-Komponenten können einstückig an der Kühlvorrichtung angeformt sein. Ferner können die Fluideinlass- und Fluidauslass-Komponente auch direkt im Gehäuse des Elektromotors oder in ein separates Gehäuse integriert sein. Der Rest des Fluidkreislaufs lässt sich mit den separat ausgebildeten Fluideinlass- und Fluidauslass-Komponenten verbinden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Halbleiterleistungsmodul und/oder das Kondensatormodul direkt an einem Gehäuse des Elektromotors angebracht ist oder dass ein Gehäuse des Elektromotors abschnittsweise so geformt ist, dass es einen Gehäuseabschnitt des Halbleiterleistungsmoduls und/oder des Kondensatormoduls bildet. Somit kann zumindest eines der Module direkt mit dem Gehäuse des Elektromotors verbunden sein. Auch kann zumindest eines der Module teilweise durch das Gehäuse des Elektromotors ausgebildet bzw. integriert sein. Im letzteren Fall kann das Gehäuse des Elektromotors als Verbindungsstelle für die Module dienen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaug ru ppe,
- - 2 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterleistungsmoduls mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
- - 3 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe, und
- - 4 eine Perspektivansicht eines Gehäuses eines Elektromotors mit der darin integrierten, erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe.
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In 1 ist eine Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe 10 gezeigt, die unter anderem ein Halbleiterleistungsmodul 12, eine Kühlvorrichtung 14, eine thermisch leitende Komponente 16, ein Kondensatormodul 18 und ein topfförmiges Teilgehäuse 20 umfasst, das Teil eines Leistungselektronikgehäuses bzw. Gesamtgehäuses ist.
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Das topfförmige Teilgehäuse 20 ist im Querschnitt U-förmig und weist mit seiner offenen Seite zum Halbleiterleistungsmodul 12, wie aus 1 hervorgeht.
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Das topfförmige Teilgehäuse 20, in dem in der gezeigten Ausführungsform das Kondensatormodul 18 aufgenommen ist, ist lediglich optional, da auch das Kondensatormodul 18 selbst das Außengehäuse zumindest teilweise ausbildet.
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Wie aus 1 deutlich wird, stellt das Teilgehäuse 20 einen Gehäuseabschnitt eines Gesamtgehäuses der Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe 10 bereit, insbesondere die Unterseite.
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Das Gesamtgehäuse kann auch ein Leistungselektronikgehäuse darstellen.
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Das Teilgehäuse 20 hat eine geöffnete Seite, wobei das Teilgehäuse 20 an seiner geöffneten Seite, insbesondere umlaufend, in einen in distaler Richtung abstehenden Vorsprung 22 einstückig übergeht, der auch als Flansch bezeichnet werden kann. An diesem Vorsprung 22 ist das Halbleiterleistungsmodul 12 angebracht, das das topfförmige Teilgehäuse 20 demnach deckelartig verschließt.
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In dem topfförmigen Teilgehäuse 20 ist das Kondensatormodul 18 zumindest teilweise aufgenommen.
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An dem Halbleiterleistungsmodul 12 ist ein Teil der Kühlvorrichtung 14 vorgesehen, nämlich ein Kühlabschnitt 24 der Kühlvorrichtung 14, über den unter anderem das Halbleiterleistungsmodul 12 gekühlt wird. Hierzu ist der Kühlabschnitt 24 dem Halbleiterleistungsmodul 12 zugeordnet.
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Die thermisch leitende Komponente 16 ist zwischen der Kühlvorrichtung 14, insbesondere dem Kühlabschnitt 24, und dem Kondensatormodul 18 angeordnet, sodass die thermisch leitende Komponente 16 in direktem Kontakt mit dem Kühlabschnitt 24 und der Kondensatormodul 18 steht. Hierdurch ist eine thermische Koppelung zwischen dem Kühlabschnitt 24 und dem Kondensatormodul 18 hergestellt.
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Die thermisch leitende Komponente 16 ist komprimierbar ausgebildet, sodass sie sich an den vorhandenen Bauraum anpassen kann. Insofern hat die thermisch leitende Komponente 16 neben der thermischen Übertragung der Kühlleistung von dem Kühlabschnitt 24 auf das Kondensatormodul 18 zusätzlich den Zweck, Vibrationen, Fertigungsungenauigkeiten bzw. Herstellungstoleranzen oder Ähnliches zu kompensieren.
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Auch kann über die Komprimierbarkeit sichergestellt werden, dass die thermisch leitende Komponente 16 großflächig am Kühlabschnitt 24 und am Kondensatormodul 18 anliegt.
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Mit anderen Worten ist die Kühlvorrichtung 14 über die thermisch leitende Komponente 16 thermisch mit dem Kondensatormodul 18 gekoppelt.
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Die thermisch leitende Komponente 16 kann als ein einzelnes Bauteil oder als mehrere, einzeln angeordnete Bauteile in Längsrichtung über die Gesamtlänge oder über einen oder mehrere Teile der Gesamtlänge der Kühlvorrichtung 14, insbesondere des Kühlabschnitts 24, oder des Kondensatormoduls 18 ausgebildet sein.
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Beispielsweise handelt es sich bei der thermisch leitende Komponente 16 um eine thermisch leitende Materialschicht, beispielsweise in Form eines Kissens, eines Pads oder einer Paste.
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Aufgrund der Anordnung des Kühlabschnitts 24 der Kühlvorrichtung 14 zwischen dem Halbleiterleistungsmodul 12 und dem Kondensatormodul 18 können beide Module 12, 18 gleichzeitig gekühlt werden. Es ist somit nur ein Fluidkreislauf notwendig, um beide Module 12, 18 zu kühlen.
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Insofern weist die Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe 10 ein Gesamtgehäuse auf, das das Halbleiterleistungsmodul 12 sowie das Kondensatormodul 18 aufnimmt, wobei die Elektronikkomponenten der Module 12, 18 im Gesamtgehäuse aufgenommen sind. Mindestens eines der Module 12, 18 kann dabei einen Teil des Gesamtgehäuses ausbilden.
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Insbesondere ist ein topfförmiges Teilgehäuse 20, das ein Modul zumindest teilweise aufnimmt und vom anderen Modul deckelartig geschlossen wird.
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Die Elektronikkomponenten von beiden Modulen 12, 18 sind innerhalb des Gesamtgehäuses zueinander gewandt, wobei die Kühlvorrichtung 14, insbesondere der Kühlabschnitt 24, den Elektronikkomponenten beider Module 12, 18 zugeordnet ist, um diese gleichzeitig zu kühlen, insbesondere innerhalb des Gesamtgehäuses. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, ist die thermisch leitende Komponente 16 vorgesehen.
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In 2 ist eine Unterseite des Halbleiterleistungsmoduls 12 mit der Kühlvorrichtung 14 dargestellt.
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Hier ist die Kühlvorrichtung 14 so in das Halbleiterleistungsmodul 12 teilweise integriert, dass es einstückig an der Unterseite des Halbleiterleistungsmoduls 12 angeordnet ist, um so den Kühlabschnitt 24 zu definieren.
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Das Halbleiterleistungsmodul 12 und die Kühlvorrichtung 14 bilden somit eine vormontierte Einheit.
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In einem zusammengesetzten Zustand der Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe 10 (vgl. 1) liegt die thermisch leitende Komponente 16 mit einer Seite an einer Anlagefläche 26 des Kühlabschnitts 24 an, die den Abschluss der vormontierten Einheit darstellen kann.
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Die Anlagefläche 26 ist somit dem Kondensatormodul 18 zugewandt und weist zum offenen Ende des Teilgehäuses 20.
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Der Kühlabschnitt 24 weist zudem eine Fluideinlass-Komponente 28 und eine Fluidauslass-Komponente 30 auf, durch die ein Kühlfluid in den Kühlabschnitt 24 hinein- bzw. herausströmen kann, um den Kühlabschnitt 24 zumindest teilweise zu durchströmen.
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Der Kühlabschnitt 24 oder die Kühlvorrichtung 14 bilden somit einen Teilabschnitt eines übergeordneten Fluidkreislaufs, der z. B. noch Leitungen, eine Pumpe oder ein Fluidreservoir umfasst.
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Über die Komponenten 28, 30 können der Kühlabschnitt 24 oder die Kühlvorrichtung 14 an die Leitungen angeschlossen werden.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe 10, in der die Kühlvorrichtung 14 mehrere Kühlabschnitte 24a, 24b umfasst.
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Dabei ist ein Kühlabschnitt 24b so geformt ist, dass ein Aufnahmeraum 21 gebildet ist, in dem das Kondensatormodul 18 angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung 14 oder der Kühlabschnitt 24b stellen somit einen Gehäuseabschnitt der Wechselrichterbaugruppe 10, insbesondere des Kondensatormoduls 18, dar.
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Auch hier kann zwischen dem Halbleiterleistungsmodul 12 oder der Kühlvorrichtung 14 und dem Kondensatormodul 18 die thermisch leitende Komponente 16 vorgesehen sein.
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Die Kühlvorrichtung 14 kann in zumindest einem der Kühlabschnitte 24a, 24b mit einem Kühlfluid durchströmt sein, um über Kühlelemente 32, beispielsweise Kühllamellen bzw. Kühlrippen, die thermisch leitende Komponente 16 und das Kondensatormodul 18 zu kühlen.
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Optional können nur die Kühlelemente 32 mit Kühlfluid durchströmt werden.
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Eine Kombination beider Kühlmethoden ist auch denkbar.
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In dieser Anordnung ist ebenfalls nur ein Fluidkreislauf zur Kühlung des Halbleiterleistungsmoduls 12 und des Kondensatormoduls 18 notwendig. Durch die umlaufende Kühlung des Kondensatormoduls 18 wird eine hohe Kühlleistung erzielt.
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4 zeigt einen Elektromotor 34 sowie ein Gehäuse 36 des Elektromotors 34, in das die Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe 10 integriert ist. Über das topfförmige Teilgehäuse 20 ist die Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe 10 am Gehäuse 36 des Elektromotors 34 befestigt.
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Das Halbleiterleistungsmodul 12, die Kühlvorrichtung 14 und das Kondensatormodul 18 sind somit indirekt mit dem Gehäuse 36 des Elektromotors 34 verbunden.
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Optional kann die Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe 10 auch über die Kühlvorrichtung 14 oder das Halbleiterleistungsmodul 12 am Gehäuse 36 des Elektromotos 34 befestigt sein.
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Ferner können das Halbleiterleistungsmodul 12, die Kühlvorrichtung 14 oder das Kondensatormodul 18 separat, direkt mit dem Gehäuse 36 des Elektromotors 34 verbunden sein.
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Andererseits kann das Gehäuse 36 selbst so geformt sein, dass es zumindest einen Teil der Kraftfahrzeug-Wechselrichterbaugruppe 10 aufnehmen kann.
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Das Gehäuse 36 des Elektromotors 34 wäre dann z. B. ähnlich wie in 1 als topfförmiges Teilgehäuse geformt und würde zumindest abschnittsweise einen Gehäuseabschnitt des Halbleiterleistungsmoduls 12 und/oder des Kondensatormoduls 18 bilden.