CN103687439B

CN103687439B - 具有液体冷却装置的功率电子系统

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Publication number: CN103687439B
Application number: CN201310395911.4A
Authority: CN
Inventors: 亚历克斯·米勒; 迪尔克·特罗德勒
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: FR2995173A1; DE102012215787A1; CN103687439A; US9313922B2; DE102012215787B4; US20140063741A1

Abstract

本发明涉及一种功率电子系统（1），具有多部分的壳体（2）、多个功率电子电路装置（4，30，34）、电容器装置（4）和液体冷却装置（5）。多部分的壳体（2）由三个基本形状为方形的壳体件（20，22，24）组成，即由中间件（22）和布置在中间件的相对设置的连接面（222）上的上罩体（20）和下罩体（24）组成，壳体具有用于冷却液体的输入接口（50）和排出接口（52），并在中间件和上罩体（20）之间形成至少一个上冷却腔（500，502，504）以及在中间件和下罩体之间形成至少两个下冷却腔（540，542，544），每个冷却腔有至少一个冷却面，并通过输入接口流入并在排出接口流出的冷却液体能流过该冷却腔，并由此形成液体冷却装置。

Description

具有液体冷却装置的功率电子系统

技术领域

本发明涉及一种功率电子系统，其具有多部分的壳体、多个功率电子电路装置、电容器装置和集成的液体冷却装置，其中系统将这些多个部件集于一个共同的壳体中。该功率电子系统被优选地设计用于应用在车辆中，这里主要是应用在纯电动车辆也或者在混合动力车辆中。

背景技术

现有技术通过一种适用于电子控制单元电路的控制设备来示例性构成，其壳体由DE 10 2008 001 028 A1公开。该控制设备尤其是设计用于应用在具有电力驱动或混合动力驱动的车辆中。在此处所提出的壳体具有至少两个半壳体，在两个半壳体之间设计了能对冷却液体进行引导的冷却通道系统。壳体件具有凹槽，冷却通道系统形成在该凹槽上，并且被各另一个壳体件的装置密封。在此，壳体件的至少一个凹槽部段与另一个壳体件的凹槽部段联通地相对设置。借助于这样的冷却通道系统，用冷却剂来冷却功率半导体，其邻接冷却通道地布置在两个对应一致的壳体件中。

DE 11 2007 002 435 T5描述了用于产生热量的构件的冷却结构，其中冷却剂腔在放出热量的表面之间，该表面与构件热导相连接，其中在冷却剂腔中存在多个散热肋。

本发明的出发点是，在功率电子系统中的需求、尤其是在使用带有电主驱动器或辅助驱动器的车辆时，有针对性地冷却功率电子系统的单个部件。在这种情况下不同的部件具有不同的冷却需要量，特别是在热量和热负荷的意义上。

例如通常与驱动电动机相连接的功率电子开关装置具有在待散热量方面最高的冷却需要量。另外一个例如用于给能量存储器充电的功率电子开关装置具有较小的待散热量。电容器装置相对于功率电子开关装置通常在待散热量方面具有小了至少一个数量级的冷却需求。

但是与此相反地存在的要求是，根据电容器装置中的工作温度，热负荷通常比功率电子开关装置的热负荷低了20℃以上。此外功率电子开关装置具有比电容器装置更高的相对于温度峰值的公差。

发明内容

根据对现有技术和提到的基本要求的认识，本发明的目的在于，提出一种功率电子系统，其中不同的部件，如功率电子开关装置和电容器装置根据其相应的冷却需要量、特别是根据其相应的热负荷和其待散热量可以相应地被冷却。

根据本发明，此目的通过根据本发明的功率电子系统来实现。

根据本发明功率电子系统具有多部分的壳体、多个电子电路系统、至少一个电容器装置和用于冷却所有具有冷却需求的部件的液体冷却装置。该多部分的壳体由至少三个基本形状为方形的壳体件组成，即中间件和布置在中间件的相对设置的连接面上的上罩体和下罩件。方形的基本形状在这里被理解为对实际形状的极大简化，其中安装和固定装置、一般也像侧面的面轮廓应该是可忽略的。

优选地，中间件以及两个罩体具有各一个杯状的子壳体件和各一个配属的盖状的子罩体件。这种设计方案对于专业人员应该也相应于等效的设计方案。

该壳体、优选是中间件，具有液体输入接口和液体排出接口并且进而液体冷却装置的接口装置。在一种优选的设计方案中，中间件在其内部具有带有电容器接口件的电容器装置，该电容器装置直接地或间接地与至少一个功率电子开关装置相连接。

在功率电子系统的一个优选的设计方案中，在上罩体内设计有上功率电子开关装置，并且可选地或附加地在下罩体内设计有下功率电子开关装置。这些功率电子开关装置中的至少一个与中间件中的电容器装置导电地相连接。对于这样的连接，壳体件具有凹口用于使配属的连接装置导向穿过。

同样可以有利的是，在上罩件和可选的或附加的下罩件中布置有控制开关装置，其中然后其分别形成上控制开关装置或下控制开关装置。在中间件和上罩体之间，限定了轮廓并彼此一致的连接面形成至少一个上冷却腔。同样，在此彼此一致并同样也限定了轮廓的连接面在中间件和下罩体之间形成至少两下冷却腔。

连接面在这里被理解为，表面部分地相接触并且在部段中间隔开，并且由借此形成冷却腔。以同种方式可以形成连接冷却腔的第一连接通道。

每个冷却腔具有至少一个冷却面。冷却面理解为冷却腔的界面的那个部分，该部分与待冷却的部件、特别是功率电子开关装置或者电容器装置或者上述的各部件直接热接触。

因此，液体冷却装置由输入接口和排出接口、冷却腔和必要的连接通道构成，连接通道用于连接冷却腔或用于其与输入接口和排出接口的连接。因此在输入接口流入的和在排出接口流出的冷却液体能流过该冷却装置，其中不同的冷却腔以一种有利的方式被串联地流过。

显而易见地，液体冷却装置在习惯上必要的位置、特别是在壳体件之间具有适合的密封件，尤其是用于对于电连接装置密封。在液体冷却装置的具体设计中需要注意的是，基于较小的热负荷，电容器装置应享有先于功率电子开关装置的优先权，其中同时已知的是，待散热量与功率电子开关装置相比明显更小。

根据其认识特别优选的是，只与电容器装置热接触的冷却腔具有全部冷却腔中最小的压力损耗。可替代地可以有利的是，特别是没有冷却腔只与电容器装置热接触，只与电容器装置和控制开关装置热接触的冷却腔具有全部冷却腔中最小的压力损耗。

与此相应地有利的是，只与功率电子开关装置热接触的冷却腔具有全部冷却腔中最高的压力损耗。在这样的、也具有最高导热值的冷却腔中，对此有利的是，冷却面具有冷却件、特别是散热肋或散热柱，这些冷却件布置在冷却腔中并且与冷却液体热接触，由此该冷却面形成主冷却面。

通过液体冷却装置的根据本发明的设计方案此外并且同时可能的是，布置在中间件的电容器装置在两侧被冷落，并且进而显著改进了冷却的效率和均匀性。这种在两侧的冷却以正如在根据本发明的冷却装置的设计方案中提出的穿流的适合顺序实现了对电容器装置的非常有效的冷却。基于小压力损耗，由低散热决定的是，在功率电子开关电路的冷却腔之前的压力损耗较少。

此外，输入冷却液体中的热量同样较少。因此在进入功率电子开关装置的冷却腔之前，冷却液体的温度升高和压力损耗都很小，由此功率电子电路的冷却条件与当其配属的冷却腔作为第一个冷却腔被流过时相比并不明显更差。同时对电容器装置的必要冷却是最理想的。

在不只分配给一个电容器装置或者一个功率电子开关装置的冷却腔中必要的是，依据之前或之后布置的冷却腔的要求来选择压力损耗和散热量的相互匹配。特别有利的是，按照其压力损耗的顺序，从最小开始，流过流体冷却装置的冷却腔。

在一个为了简明仅仅将冷却装置简化成带有各两个在上冷却腔和两个下冷却腔的方案中，冷却液体能按照顺序输入接口、第一上冷却腔、第一下冷却腔、第二上冷却腔、第二下冷却腔、排出接口流过冷却装置，功率电子系统的根据本发明的设计的上述的优点是非常清楚地。前两个被流过的冷却腔在这种情况下用于在两侧冷却电容器装置，即冷却电容器和可选地或附加地冷却电容器装置的电容器接口元件，而其他冷却腔在上放和下方用于分别冷却一个功率电子开关装置、即上和下功率电子开关装置。

在这种情况下优选地，第一下冷却腔借助于第一连接通道与第一上冷却腔相连接，并且第二上冷却腔借助于第二连接通道与第二下冷却腔相连接。同样有利的是，在一个变体中，或者类似于通常情况，第一和第二上冷却腔简化为一个唯一的冷却腔，并且可选地或附加地，下冷却腔中的至少一个由多个子冷却腔构成。

附图说明

对本发明的进一步说明、有利的细节和特征由下面对在图1至图5示出的根据本发明的装置或其中的部件的实施例的说明得出。

图1粗略地示意性示出了根据本发明的功率电子系统。

图2在二维截面图中示出了根据本发明的功率电子系统的一个设计方案。

图3和4从不同视角示出了同一个功率电子系统的三维透视图。

图5在三维图中示出了在功率电子系统中的冷却液体。

具体实施方式

图1粗略地示意性并且由此对图2至4阐述地示出了根据本发明的功率电子系统1。示出的是三个方形的壳体件，即上罩体20、中间件22和下罩体24，它们构成功率电子系统1的壳体2。

这些壳体件20，22，24中的每个借助于杯状的子壳体件206，226，246中的一个件和配属的子罩体件200，220，240中的一个构成，其中这在两个罩体件中特别明确地示出。上罩体20利用其连接面202布置在中间件22的上连接面222上，并且类似地下罩体24利用其连接面244布置在中间件22的下连接面224上。配属的连接面分别仅仅部分地接触，并且在部段中间隔开，通过至少一个连接面具有表面轮廓来实现此情况。通过表面限定轮廓，构成了上冷却腔和下冷却腔和第一连接通道。中间件22还具有输入接口50、排出接口52和在上腔区域和下腔区域之间的至少一个第二连接通道54，56，该上和下腔区域分别包括冷却腔和那里的第一连接通道。这些元件构成了功率电子系统1的液体冷却装置5。

显而易见地，为了必要地密封冷却装置5、特别是在连接面202，222，224，244，通常设计和布置了必要的密封装置，但并没有详细地示出。

下罩体24在此具有三个下功率电子开关装置34。这些开关装置中的任一个在对普遍性无限制的设计方案中具有与其功能性地相连接的控制开关装置64。同样无限制地，上罩体20具有功率电子电路30和两个不与其功能性地相连接的控制开关装置60。中间件22具有电容器装置4，该电容器装置在此由三个电容器40构成，三个电容器与三个在下功率电子开关装置34功能性地相连接，这样的连接没有详细地示出。

基本上从功率电子系统1的设计方案出发能形成多个不同的冷却腔配置。

在冷却腔500，540的第一个变体中，在此对普遍性无限制地在上冷却腔中示出，该冷却腔借助配属的冷却面522只与电容器装置4、特别是与其电容器40自身或可选地或附加地与其电容器接口件410，420热接触。在一些功率电子系统的设计方案中，冷却电容器接口件恰好具有特别的意义。

在冷却腔502的第二变体中，在此同样作为上冷却腔示出，该冷却腔借助两个冷却面506，524与电容器装置4和控制开关装置6热接触。在冷却腔的第三变体中，在此在上冷却腔504和下冷却腔544中示出，该冷却腔分别借助一个冷却面526，528与电容器装置4热接触，并且借助另一个相应的冷却面、，此处分别是主冷却面508，546，548，与功率电子开关装置30，34热接触。相应的主冷却面508，546，548具有散热柱，由此主冷却面的冷却效率与同基面的冷却面相比提高了至少两倍。通常随着这个提高的冷却效率伴随有冷却液体的提高的压力损耗。在冷却腔542的第四变体中，在此是下冷却腔，单个的冷却面546与功率电子电路34热接触。为了可以满足功率电子电路的冷却要求，分别有利的是，其配属的冷却面如图所示地构成为主冷却面。

以尤其优选地的方式，为此参阅图5，为了便于理解而不考虑控制开关装置60，64，功率电子系统的液体冷却系统这样被构成，即冷却液体以如下的顺序流过液体冷却系统：

-输入接口50；

-第一变体的下冷却腔540；

-从下腔区域到上腔区域的连接通道54

-第一变体的一个或多个上冷却腔500；

-从上腔区域到下腔区域的连接通道56

-多个第四变体的下冷却腔542；

-排出接口52。

在这种情况下显而易见的是，如可能需要同样流过上连接通道或下连接通道。

图2至图4示出了根据这种所述设计的功率电子系统1。

图5示出了在这样的电力从电子系统1中的冷却液体和其压力损耗，其中在此在功率电子系统的相应区域中的冷却液体配有在参考图上的虚线。因此未示出壳体件的构成液体冷却装置的部分，则该壳体件没有被详细地示出，而示出了在液体冷却装置中所包括的冷却液体。图2在沿着根据图3的截面A-A的二维截面图中示出了根据本发明的功率电子系统，而图3和图4在透视图中从两个不同的视角示出了功率电子系统。

示出的是，功率电子系统的分为三部分的壳体2分别由具有未示出的控制开关装置的上罩体20组成。上罩体20如其他的壳体件那样作为杯状的子壳体件206设计具有配属的子罩体件200。

在中间件22中布置了电容器装置4，其带有电容器40和用于连接外部直流电源的第二电容器接口件420，以及还有用于连接功率电子系统的功率电子开关装置34的多个第一电容器接口装置410。

同样在这个中间件22中布置了冷却液体的输入接口50以及排出接口52用于液体冷却装置的穿流。中间件22的高度延展，也就是上罩体与下罩体之间的距离，在这个设计方案中取决于电容器装置4的电容并且由此可以依据于此可变地来设计。在下罩体24中布置有三个分别设计为半桥电路的功率电子装置34。

除了输入接口50和排出接口52，功率电子系统的液体冷却装置5还包括分别具有冷却腔和第一连接通道的上腔区域和下腔区域、以及连接这些腔区域的第二连接通道54，56。在此根据定义区别于第一连接通道，冷却腔具有用于与待冷却的部件如、电容器装置、控制开关装置或功率电子开关装置热连接的冷却面。原则上冷却腔和第一连接通道也可以在横断面没有变化的情况下彼此流入。第一腔区域、或者那里的冷却腔和第一连接通道通过上罩体20的连接面202和中间件22的连接面222限定的轮廓来构成。同样，第二腔区域通过下罩体24的连接面244和中间件22的连接面224限定的轮廓构成。

图5示出了冷却液体，例如其在液体冷却装置5中延展并且通过冷却腔不同的设计方案产生的压力损耗。可识别的是，即在输入50之后，冷却液体流过第一变体的第一下冷却腔，随之伴随了仅仅少量的加热和主要仅仅少量压力损耗。通过连接通道的相应设计方案类似地简化为冷却腔的上部冷却腔同样根据第一方案来设计，并且具有与第一下冷却腔相比更小的压力损耗。同样在此输入的热量较少，因为电容器装置4需要与功率电子开关装置相比更少的散热。但是热负荷、特别是电容器装置4所期望的运行温度明显低于功率电子开关装置的运行温度。例如电容器装置的运行温度不能超过90℃，而功率电子开关装置的功率半导体部件的运行温度通常被设计直至150℃甚至直至175℃。

与功率电子开关装置30，34热接触的这些冷却腔具有到冷却液体中的最大输入热量，为此冷却面作为主冷却面设计带有冷却件、如散热肋或散热柱。随着显著较高的输入热量也伴随有较高的压力损耗。

总而言之，也就是只与电容器装置热接触的这个冷却腔具有所有冷却腔中的最小的压力损耗。如果没有设计这样的冷却腔，那么只与电容器装置和控制开关装置热接触的这个冷却腔具有所有冷却腔中的最小的压力损耗。与此相反地，只与功率电子开关装置热接触的这些冷却腔具有所有冷却腔中最高的压力损耗。随之而来的是，即最后被流过的冷却腔具有比第一个被流过的冷却腔高了至少1.6倍、特别是3倍的压力损耗。

Claims

1.一种功率电子系统(1)，具有：多部分的壳体(2)、多个功率电子电路装置(3)、电容器装置(4)和液体冷却装置(5)，其中多部分的所述壳体(2)由三个自身基本形状为方形的壳体件(20，22，24)组成，其中所述壳体件(20，22，24)是中间件(22)、上罩体(20)和下罩体(24)，其中这些所述罩体(20，24)布置在所述中间件(22)的相对设置的连接面(202，224)上，其中所述壳体(2)具有用于冷却液体的输入接口(50)和排出接口(52)，其中在所述中间件(22)和所述上罩体(20)之间存在至少一个上冷却腔(500，502，504)，以及在所述中间件(22)和所述下罩体(24)之间存在至少两个下冷却腔(540，542，544)，其中每个所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)具有至少一个冷却面(506，508，522，524，526，528，546，548)，其中，通过所述输入接口(50)流入并通过所述排出接口(52)流出的冷却液体能流过这些所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)，并且其中这些所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)构成所述冷却装置(5)，其中所述电容器装置(4)和电容器装置接口件(410，420)、所述输入接口(50)和所述排出接口(52)布置在所述中间件(22)中，其中，所述冷却装置能按顺序流过所述输入接口(50)、第一下冷却腔(540)、第一上冷却腔(500)、第二上冷却腔(500)、第二下冷却腔(542)和所述排出接口(52)。

2.根据权利要求1所述的功率电子系统(1)，其中，所述中间件(22)、所述上罩体(20)和所述下罩体(24)各具有一个杯状的子壳体件(206，226，246)和一个盖状的子罩体件(200，220，240)。

3.根据权利要求1或2所述的功率电子系统(1)，其中，在所述上罩体中布置有上功率电子开关装置(30)和/或上控制开关装置(60)。

4.根据权利要求1或2所述的功率电子系统(1)，其中，在所述下罩体(24)中布置有下功率电子开关装置(34)和/或下控制开关装置(64)。

5.根据权利要求3所述的功率电子系统(1)，其中，在所述下罩体(24)中布置有下功率电子开关装置(34)和/或下控制开关装置(64)。

6.根据权利要求5所述的功率电子系统(1)，其中，只与所述上功率电子开关装置(30)或所述下功率电子开关装置(34)热接触的那个所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)具有所有所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)中最高的压力损耗。

7.根据权利要求1或2所述的功率电子系统(1)，其中，只与所述电容器装置(4)热接触的那个所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)具有所有所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)中最小的压力损耗。

8.根据权利要求6所述的功率电子系统(1)，其中，只与所述电容器装置(4)热接触的那个所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)具有所有所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)中最小的压力损耗。

9.根据权利要求8所述的功率电子系统(1)，其中，只与所述电容器装置(4)和所述上控制开关装置或所述下控制开关装置热接触的那个所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)具有所有所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)中最小的压力损耗。

10.根据权利要求1或2所述的功率电子系统(1)，其中，所述液体冷却装置(5)的所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)按所述冷却腔的压力损耗顺序被流过，并且其中具有最小压力损耗的所述冷却腔首先被流过。

11.根据权利要求9所述的功率电子系统(1)，其中，所述液体冷却装置(5)的所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)按所述冷却腔的压力损耗顺序被流过，并且其中具有最小压力损耗的所述冷却腔首先被流过。

12.根据权利要求7所述的功率电子系统(1)，其中，最后被流过的所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)与第一个被流过的所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)相比具有相差至少1.6倍的压力损耗。

13.根据权利要求11所述的功率电子系统(1)，其中，最后被流过的所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)与第一个被流过的所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)相比具有相差至少1.6倍的压力损耗。

14.根据权利要求中1或2所述的功率电子系统(1)，其中，为在相互邻接的所述壳体件(20，22，24)之间的电连接设计了连接装置(600)。

15.根据权利要求13所述的功率电子系统(1)，其中，为在相互邻接的所述壳体件(20，22，24)之间的电连接设计了连接装置(600)。

16.根据权利要求1或2所述的功率电子系统(1)，其中，所述冷却面(506，508，522，524，526，528，546，548)具有冷却件，所述冷却件布置在所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)中并且与所述冷却液体热接触，由此所述冷却面形成主冷却面(508，546，548)。

17.根据权利要求15所述的功率电子系统(1)，其中，所述冷却面(506，508，522，524，526，528，546，548)具有冷却件，这些所述冷却件布置在所述冷却腔(500，502，504，540，542，544)中并且与所述冷却液体热接触，由此所述冷却面形成主冷却面(508，546，548)。

18.根据权利要求17所述的功率电子系统(1)，其中，所述冷却件是散热肋或散热柱。

19.根据权利要求1或2所述的功率电子系统(1)，其中，所述第一下冷却腔(540)借助第二连接通道(54)与所述第一上冷却腔(500)相连接，并且所述第二上冷却腔(500)借助另一个第二连接通道(56)与所述第二下冷却腔(542)相连接。

20.根据权利要求18所述的功率电子系统(1)，其中，所述第一下冷却腔(540)借助第二连接通道(54)与所述第一上冷却腔(500)相连接，并且所述第二上冷却腔(500)借助另一个第二连接通道(56)与所述第二下冷却腔(542)相连接。

21.根据权利要求1或2所述的功率电子系统(1)，其中，所述电容器装置的电容器(4)和/或电容器接口件(410，420)借助分别配属的冷却面与所述第一上冷却腔(500)和第一下冷却腔(540)热接触，并且因此在两侧被冷却。

22.根据权利要求20所述的功率电子系统(1)，其中，所述电容器装置的电容器(4)和/或电容器接口件(410，420)借助分别配属的冷却面与所述第一上冷却腔(500)和第一下冷却腔(540)热接触，并且因此在两侧被冷却。

23.根据权利要求4所述的功率电子系统(1)，其中，所述下功率电子开关装置(34)与所述第二下冷却腔(542)和/或所述第二上冷却腔(500)热接触。

24.根据权利要求22所述的功率电子系统(1)，其中，所述下功率电子开关装置(34)与所述第二下冷却腔(542)和/或所述第二上冷却腔(500)热接触。

25.根据权利要求24所述的功率电子系统(1)，其中，所述上功率电子开关装置(30)只与所述第二上冷却腔(500)热接触，并且其中所述下功率电子开关装置(34)只与所述第二下冷却腔(542)热接触。

26.根据权利要求1或2所述的功率电子系统，其中，所述第一上冷却腔(500)和第二上冷却腔(500)简化成一个唯一的冷却腔，和/或所述下冷却腔(542，540)中的至少一个由多个子冷却腔构成。

27.根据权利要求1或2所述的功率电子系统(1)，其中，所述中间件的高度延展依据所述电容器装置(4)的电容可变地设计。

28.根据权利要求26所述的功率电子系统(1)，其中，所述中间件的高度延展依据所述电容器装置(4)的电容可变地设计。