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Die Erfindung betrifft einen Pulswechselrichter mit einem Pulswechselrichtergehäuse, in dem zumindest eine Leistungselektronik vorgesehen ist, wobei zumindest das Pulswechselrichtergehäuse durch ein strömendes Kühlmittel über Gehäusemittel zu kühlen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem derartigen Pulswechselrichter.
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In einem elektrischen Antriebsstrang wird für den Betrieb einer Elektromaschine ein Pulswechselrichter benötigt. Der Pulswechselrichter konvertiert die Gleichspannung der Batterie in eine mehrphasige Wechselspannung und besitzt hierfür zumindest eine Leistungselektronik, die mit einem Gate-Treiber und einem Controller zusammenwirkt. Es ist nicht zwingend notwendig, dass alle Elektronikbauteile in einem Gehäuse untergebracht werden, wobei insbesondere die Leistungselektronik sich stark erwärmen kann, und daher genau wie die Elektromaschine im Antriebsstrang zu kühlen ist. Einen gekühlten Antriebsstrang, bei dem der Pulswechselrichter und die Elektromaschine durch ein strömendes Kühlmittel, hier Wasser, gekühlt wird, ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2019 200 869 A1 bekannt. Hierbei strömt das Wasser am Gehäuse der Leistungselektronik vorbei, um diese zu kühlen. Darüber hinaus ist es auch bekannt, das Gehäuse mit besonderen Kühlkanälen zu versehen, um die Effizienz der Kühlung weiter zu erhöhen. In diesen Fällen wird die in der Leistungselektronik entstehende Wärme durch Wärmeleitung an elektrisch isolierende Medien übergeben, welche dann vom Kühlmittel umströmt werden. Hierbei müssen mehrere Wärmeübergänge zwischen unterschiedlichen Medien überwunden werden. Diese derzeitige Kühlpraxis reicht aber, insbesondere bei Elektromaschinen und Pulswechselrichter mit einer hohen Leistungsdichte, nicht aus, um die Kühlanforderung zu erfüllen. Zudem führt auch die immer höhere Bauraumdichte zur Notwendigkeit zur Erhöhung der Kühleffizienz.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, den oben genannten Nachteil auf einfache und kostengünstige Weise zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Pulswechselrichtergehäuse mindestens eine Kühlmitteleinlassöffnung und mindestes eine Kühlmittelauslassöffnung als Gehäusemittel aufweist, derart, dass das Kühlmittel unter direktem Kontakt zur Leistungselektronik durch das Pulswechselrichtergehäuse strömt, wobei das Kühlmittel ein Dielektrikum ist. Dadurch, dass das Dielektrikum die Leistungselektronik im Pulswechselrichtergehäuse komplett oder teilweise umströmt, entsteht eine volumenumhüllende Kontaktfläche zwischen Leistungselektronik und Dielektrikum. Die Kontaktfläche zwischen Leistungselektronik und Dielektrikum wird dadurch im Vergleich zum Stand der Technik deutlich vergrößert. Zusätzlich wird, bei der hier beschriebenen Art der Kühlung, die in der Leistungselektronik entstehende Wärme direkt vom strömenden Kühlmittel aufgenommen und abtransportiert. Die Vergrößerung der Kontaktfläche bei gleichzeitiger Minimierung der Anzahl der Wärmeübergänge führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Kühleffizienz.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Strömung des Kühlmittels durch eine geometrische Ausgestaltung zumindest einer Innenwand des Pulswechselrichtergehäuse beeinflussbar. Diese geometrische Ausgestaltung kann hierbei derart ausgeführt sein, dass ein in Strömungsrichtung verlaufender Gehäuseteil trichterförmig ausgebildet ist, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Pulswechselrichtergehäuse anzupassen.
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In besonders vorteilhafter Weise weist das Pulswechselrichtergehäuse einen Nassraum und einen Trockenraum auf, wobei zumindest die Leistungselektronik im Nassraum und zumeist eine Controller-Platine im Trockenraum angeordnet ist. Hierdurch konzentriert sich die Direktkühlung auf die Elektronikkomponenten, die insbesondere die Leistungselektronik, die eine hohe Wärmeentwicklung erzeugen. Die Controller-Platine oder auch eine Gate-Treiber-Platine sind in einem Trockenraum anzuordnen, da zu deren Kühlung eine indirekte Kühlung ausreicht.
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In besonders vorteilhafter Weise ist ein Zwischenkreiskondensator im Nassraum angeordnet. Auch der Zwischenkreiskondensator weist eine hohe Wärmentwicklung auf und wird auf diese Weise direkt durch das Dielektrikum gekühlt.
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In besonders vorteilhafter Weise ist der Nassraum durch ein Dichtorgan vom Trockenraum getrennt. Dieses Dichtorgan, dass eine gewisse Flexibilität aufweist, ermöglicht auch eine asymmetrische Aufteilung des Pulswechselrichtergehäuses, um beispielsweise auch zusätzlich zur Leistungselektronik und zum Zwischenkreiskondensator auch die Gate-Treiber-Platine im Nassraum vorzusehen.
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Um einerseits einen elektrischen Isolator zwischen Plus- und Minuspol der Leistungselektronik darzustellen und andererseits eine ausreichende Fließfähigkeit aufzuweisen, besitzt das Dielektrikum eine maximale Dichte von 0,75 kg/l bei 15°C und/oder eine maximale Viskosität von 6mm2/s bei 40°C und/oder eine minimale Wärmekapazität von 2,3 kJ/(kgxK) bei 80°C und/oder eine minimale Wärmeleitfähigkeit von 0,12 W/(m/K) bei 80°C und/oder eine maximale elektrische Leitfähigkeit von 1000 nS/m bei 25°C.
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Um den Wärmeaustausch noch weiter zu maximieren, können Konturelemente im Nassraum zur Strömungsführung des Dielektrikums vorgesehen sein. Hierdurch ist es zudem möglich Bauteile beziehungsweise Baugruppen bedarfsgerecht zu platzieren und eine optimale Kühlung zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch einen Antriebsstrang mit einem derartigen Pulswechselrichter, wobei eine Elektromaschine vorgesehen ist, die sich an den Pulswechselrichter anschließt, wobei ein Elektromaschinengehäuse ebenfalls derart ausgebildet ist, dass es durch das Kühlmittel durchströmbar ist.
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Der Pulswechselrichter und die Elektromaschinekönnen im Gesamtfahrzeugkühlkreislauf integriert sein. In vorteilhafter Weise ist ein separater Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe und einem Wärmetauscher vorgesehen, um den Kühlmittel- und Wärmestrom besonders einfach steuern zu können. Hierbei können Umschaltmittel zur Änderung einer Durchströmrichtung des Dielektrikums vorgesehen sein, um auf besondere Betriebssituationen einfach reagieren zu können. Die Umschaltmittel können hierbei daraus bestehen, dass die Drehrichtung der Kühlmittelpumpe geändert werden kann oder auch, dass Ventile vorgesehen sind, durch die die Durchströmrichtung zu ändern sind.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht eines einfachen elektrischen Antriebsstranges mit einem separaten Kühlkreislauf,
- 2 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform eines Pulswechselrichters und
- 3 eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform eines Pulswechselrichters.
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1 zeigt einen sehr einfachen Antriebsstrang 2 eines nicht weiter dargestellten Elektrokraftfahrzeuges. Der Antriebsstrang 2 besteht hierbei aus einer Elektromaschine 4 und einem sich daran anschließenden Pulswechselrichter 6. Der Pulswechselrichter 6 konvertiert hierbei die Gleichspannung einer nicht weiter dargestellten Batterie in eine mehrphasige Wechselspannung für den Betrieb der Elektromaschine 4 und übernimmt somit die Regelung der Elektromaschine 4. Der Pulswechselrichter 6 erhält hierzu beispielsweise von einem nicht weiter dargestellten Antriebssteuergerät eine Drehmomentanforderung und setzt diese durch Einstellung der entsprechenden elektrischen Spannungen um. Hierzu kann der Pulswechselrichter 4, wie genauer in den 2 und 3 dargestellt, aus drei funktionalen Komponenten 8, 10, 12 aufgebaut sein. Ein Leistungsteil 8 beinhaltet hierbei eine sogenannte Kommutierungszelle, bestehend aus den Halbleiter-Schaltern und den Zwischenkreiskondensator. Zudem sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Leistungsteil 8 die Sensoren für die Erfassung der elektrischen Spannungen und der elektrischen Ströme integriert. Auf einer Gate-Treiber-Platine 10 angeordnete Gate-Treiber sind für die Ansteuerung von Halbleiter-Schaltern erforderlich und setzen die Schaltsignale eines auf einer Controller-Platine 12 angeordneten Controllers um. In 2 sind die Gate-Treiber-Platine 10 und die Controller-Platine 12 als durchgehende Platine 13 dargestellt.
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Der Controller 12 übernimmt im Wesentlichen die Regelung der Elektromaschine und berechnet die einzustellenden Wechselspannungen.
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Insbesondere das Leistungsteil 8 kann neben der Elektromaschine 4 eine hohe Wärmeentwicklung erfahren. Um eine effektive Kühlung sowohl der Elektromaschine 4 als auch des Pulswechselrichters 6 zu gewährleisten, ist ein Kühlkreislauf 14 mit einer Kühleinrichtung 15, die eine Kühlmittelpumpe 16 und einen Wärmetauscher 17 umfasst, vorgesehen. Die Kühlmittelpumpe 16 weist hierbei eine Drehrichtungsumkehr als Umschaltmittel 18 auf, um eine Änderung einer Durchströmrichtung eines im Kühlmittelkreislaufes 14 befindlichen Kühlmittels vorzusehen.
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Der Kühlmittelkreislauf 14 ist hierbei derart ausgelegt, dass sowohl ein Pulswechselrichtergehäuse 20 als auch ein Elektromaschinengehäuse 22 derart ausgebildet sind, dass diese durch das Kühlmittel durchströmbar sind. Hierzu weist sowohl das Pulswechselrichtergehäuse 20 eine Kühlmitteleinlassöffnung 24 und eine Kühlmittelauslassöffnung 26 und auch das Elektromaschinengehäuse 22 eine Kühlmitteleinlassöffnung 28 und eine Kühlmittelauslassöffnung 30 auf, wobei die Begrifflichkeiten derart gewählt sind, dass zunächst das Pulswechselrichtergehäuse 20 und nachfolgend das Elektromaschinengehäuse 22 vom Kühlmittel durchströmt werden. Bei einer Richtungsumkehr würden die Begrifflichkeiten „Einlassöffnung“ und „Auslassöffnung“ entsprechend gewechselt.
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Erfindungsgemäß ist als Kühlmittel ein Dielektrikum vorgesehen. Dieses Dielektrikum besitzt eine maximale elektrische Leitfähigkeit von 1000 nS/m bei 25°C. Zudem weist es eine maximale Dichte von 0,75 kg/l bei 15°C, eine maximale Viskosität von 6mm2/s bei 40°C, eine minimale Wärmekapazität von 2,3 kJ/(kgxK) bei 80°C, und eine minimale Wärmeleitfähigkeit von 0,12 W/(m/K) bei 80°C auf.
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2 zeigt nun eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Pulswechselrichters 6 mit einem Pulswechselrichtergehäuse 20. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem der Pulswechselrichter 6 in Strömungsrichtung gesehen vor der Elektromaschine 4 angeordnet ist, besitzt das Pulswechselrichtergehäuse 20 die Kühlmitteleinlassöffnung 24 und die Kühlmittelauslassöffnung 26, die direkt fluidisch mit einem Nassraum 32 des Pulswechselrichtergehäuses 20 verbunden sind. Das Pulswechselrichtergehäuse 20 weist zudem einen Trockenraum 34 auf, der durch ein Dichtorgan 36 von dem Nassraum 32 fluidisch getrennt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist im Nassraum 32 die Leistungselektronik 8 sowie ein Zwischenkreiskondensator 38 vorgesehen, wobei diese beiden Komponenten 26, 38 direkt vom Dielektrikum umströmt werden. Hierbei sind im Bereich der Leistungselektronik 8 sowie des Zwischenkreiskondensators 38 Konturelemente 42, 44 vorgesehen, die eine definierte Oberflächenvergrößerung der Leistungselektronik 8 sowie des Zwischenkreiskondensators 38 erzeugen, sowie Konturelemente 40 welche zu einer lokalen Verkleinerung des Strömungsquerschnitts und einer dadurch resultierenden Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels bewirken, um auf diese Art und Weise die Kühlwirkung im Nassraum 32 zu steuern. Die elektrischen Anschlüsse 46 der Leistungselektronik 8 und des Zwischenkreiskondensators 38 werden ebenfalls vom Kühlmittel umströmt und dadurch optimal gekühlt. Im Trockenraum 34 sind nun die Gate-Treiber-Platine 10 und die Controller-Platine 12 vorgesehen. Im vorliegendem Ausführungsbeispiel sind die Platinen 10, 12 als durchgehende Platine 13 ausgestaltet, diese können jedoch auch einzeln vorgesehen sein. Über weiter elektrische Verbindungen 47 sind die Gate-Treiber-Platine 10 und die Controller-Platine 12 mit der Leistungselektronik 8 elektrisch verbunden.
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Um eine bessere elektrische Eigenschaft des Pulswechselrichters 6 vorzusehen, kann die Gate-Treiber-Platine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der 3 auch im Nassraum 32 angeordnet sein. Hierzu könnte die Gate-Treiber-Platine 10 auch noch mit einem entsprechenden Coating gegen Einflüsse des Dielektrikums geschützt sein. Das Dichtorgan 36 müsste demgemäß so angepasst werden, dass ausreichend Platz für die Gate-Treiber-Platine im Nassraum 32 vorhanden ist. Im vorliegenden Fall würde das Dichtorgan 36 L-förmig ausgebildet sein. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 wurde zudem auf das Vorsehen von Konturelementen 40, 42, 44, wie in 2 dargestellt, verzichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019200869 A1 [0002]
