DE102011075614A1

DE102011075614A1 - Power electronic system with liquid cooling device

Info

Publication number: DE102011075614A1
Application number: DE201110075614
Authority: DE
Inventors: Dirk Trodler; Peter Schott; Markus Wörner; Susanne Matzner
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-15
Also published as: WO2012152551A1

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein leistungselektronisches System mit einem mehrteiligen Gehäuse mit mindestens einem ersten und einem zweiten Hauptgehäuseteil, mindestens einem Leistungsmodul, mindestens einer Ansteuereinrichtung, mindestens einer Kondensatoreinrichtung, internen und externen Last- und Hilfsverbindungseinrichtungen sowie einer jeweils durch ein erstes und ein zweites Hauptgehäuseteil ausgebildeten Flüssigkeitskühleinrichtung. Diese Flüssigkeitskühleinrichtung weist einen durchströmbaren Hohlraum auf, der durch erste und eine zweite einander gegenüberliegende und konturierte Oberflächen zugehöriger erster und zweiter Hauptgehäuseteile ausgebildet ist.The application relates to a power electronic system with a multi-part housing with at least a first and a second main housing part, at least one power module, at least one control device, at least one capacitor device, internal and external load and auxiliary connection devices and a liquid cooling device each formed by a first and a second main housing part . This liquid cooling device has a through-flow cavity which is formed by first and a second opposing and contoured surfaces of associated first and second main housing parts.

Description

Die Erfindung beschreibt ein leistungselektronisches System mit einer integrierten Flüssigkeitskühleinrichtung, wobei das System eine Mehrzahl von Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse vereint. Das leistungselektronische System ist bevorzugt für den Einsatz in Fahrzeugen, hier vor allem in rein elektrisch angetriebenen oder auch in Hybridfahrzeugen, vorgesehen.The invention describes a power electronic system with an integrated liquid cooling device, wherein the system combines a plurality of components in a common housing. The power electronic system is preferably for use in vehicles, especially in purely electrically driven or in hybrid vehicles, provided.

Hierzu kann das System Komponenten zum Antrieb eines Elektromotors, zur Ladung und deren Regelung einer Batterie und zur Spannungswandlung beinhalten. Beim Einsatz in Fahrzeugen ist es besonders vorteilhaft das System mit einer Flüssigkeitskühleinrichtung auszustatten.For this purpose, the system may include components for driving an electric motor, for charging and its regulation of a battery and for voltage conversion. When used in vehicles, it is particularly advantageous to equip the system with a liquid cooling device.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2010 043 466 A1 ist beispielhaft eine Kühleinrichtung zur Kühlung einer Mehrzahl von Leistungsmodulen und eines hiermit elektrisch leitend verbundenen Kondensators bekannt, wobei die Leistungsmodule jeweils eigene Kühlelement aufweisen, die von der Kühlflüssigkeit der Kühleinrichtung umspült werden.From the not pre-published DE 10 2010 043 466 A1 For example, a cooling device for cooling a plurality of power modules and a capacitor electrically connected thereto is known, wherein the power modules each have their own cooling element, which are lapped by the cooling liquid of the cooling device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein modular ausgestaltbares, also an verschiedenen Konfigurationen von Komponenten anpassbares, leistungselektronisches System vorzustellen, das eine besonders wirksame und an die Kühlanforderungen angepasste Kühlung einer Mehrzahl dieser Komponenten gestattet.The invention has for its object a modular ausgestaltbares, thus to be presented to various configurations of components customizable, power electronic system that allows a particularly effective and adapted to the cooling requirements cooling of a plurality of these components.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein leistungselektronisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is achieved by a power electronic system having the features of claim 1. Preferred embodiments are described in the dependent claims.

Ausgangspunkt der Erfindung ist das Bedürfnis für ein leistungselektronisches System vorzugsweise zum Einsatz in Fahrzeugen mit elektrischem Haupt- oder Zusatzantrieb. Das erfindungsgemäße leistungselektronisches System weist dafür ein Gehäuse mit mindestens einem ersten und einem zweiten Hauptgehäuseteil, mindestens einem Leistungsmodul, mindestens einer zugeordneten Ansteuereinrichtung, mindestens einer Kondensatoreinrichtung, interne und externe Last- und Hilfsverbindungseinrichtungen und mindestens eine Flüssigkeitskühleinrichtung auf.The starting point of the invention is the need for a power electronic system preferably for use in vehicles with electric main or auxiliary drive. The power electronic system according to the invention has for this purpose a housing with at least one first and one second main housing part, at least one power module, at least one associated drive device, at least one capacitor device, internal and external load and auxiliary connection devices and at least one liquid cooling device.

Hierbei ist das Gehäuse mehrteilig mit mindestens zwei Hauptgehäuseteilen ausgebildet. Diese weisen vorteilhaft jeweils einer Hauptfläche und einer Mehrzahl von Seitenfläche auf und bilden hierdurch jeweils eine Aufnahmeeinrichtung für mindestens eine Komponente des leistungselektronischen Systems aus. Bei dieser Ausgestaltung wird der jeweilige Hauptgehäuseteil durch einen zugeordneten Deckel verschlossen.Here, the housing is formed in several parts with at least two main housing parts. These advantageously have in each case a main surface and a plurality of side surface and thereby each form a receiving device for at least one component of the power electronic system. In this embodiment, the respective main housing part is closed by an associated lid.

Grundsätzlich kann das Gehäuse auch mehr als zwei, vorzugsweise gestapelt angeordnete, Hauptgehäuseteile umfassen.In principle, the housing can also comprise more than two, preferably stacked, main housing parts.

Eine weitere mögliche Ausführungsform umfasst mindestens ein Hauptgehäuseteil, das selbst keine Aufnahmeeinrichtung für Komponenten aufweist.Another possible embodiment comprises at least one main housing part, which itself has no receiving device for components.

Vorteilhafterweise sind sowohl der Zufluss-, wie auch der Ablaufanschluss der Flüssigkeitskühleinrichtung in einem ersten oder einem zweiten Hauptgehäuseteil vorgesehen. Ebenso sind die externen Last- und Hilfsverbindungseinrichtungen bevorzugt an den Seitenflächen der Hauptgehäuseteile vorgesehen.Advantageously, both the inflow and the outflow connection of the liquid cooling device are provided in a first or a second main housing part. Likewise, the external load and auxiliary connection means are preferably provided on the side surfaces of the main housing parts.

Das mindestens eine Leistungsmodul kann ausgebildet sein als eine Halbbrückenschaltung, die in Kombination mit mehreren gleichartigen Submodulen einen Wechselrichter, vorzugsweise einen Drei-Phasen-Wechselrichter ausbilden. Alternativ kann ein einziges Leistungsmodul als ein derartiger Wechselrichter ausgebildet sein.The at least one power module may be formed as a half-bridge circuit, which in combination with a plurality of similar submodules form an inverter, preferably a three-phase inverter. Alternatively, a single power module may be configured as such an inverter.

Weitere Leistungsmodule können als Spannungswandler, vorzugsweise Gleichspannungswandler beispielhaft zur Anpassung einer Batteriespannung an eine Bordnetzspannung mit geringerem Spannungswert ausgebildet sein. Ebenso kann ein Leistungsmodul als Laderegler einer Batterie zu deren Ladung mittels einer externen Stromquelle vorgesehen sein.Further power modules can be designed as voltage converters, preferably DC-DC converters, for example for adapting a battery voltage to a vehicle electrical system voltage with a lower voltage value. Likewise, a power module may be provided as a charge regulator of a battery to charge it by means of an external power source.

Mindestens einem Leistungsmodul ist eine Ansteuereinrichtung zugeordnet, die ein- oder mehrstückig ausgebildet sein kann, beispielhaft in Form eine übergeordneten Ansteuereinrichtung und einer modulspezifischen Ansteuereinrichtung. Hierbei sind interne Hilfsverbindungseinrichtungen vorgesehen zur Verbindung einer modulspezifischen Ansteuereinheit mit dem zugeordneten Leistungsmodul oder der Verbindung verschiedener Ansteuereinrichtungen miteinander oder der Verbindung zu externen Hilfsverbindungseinrichtungen des Gehäuses.At least one power module is associated with a drive device, which may be formed in one or more pieces, for example in the form of a higher-level control device and a module-specific control device. In this case, internal auxiliary connection devices are provided for connecting a module-specific drive unit with the associated power module or the connection of various control devices with each other or the connection to external auxiliary connection means of the housing.

Mindestens einem Leistungsmodul ist eine Kondensatoreinrichtung zugeordnet, die den Gleichspannungszwischenkreis eines Wechselrichters ausbilden kann. Hierzu ist eine interne Lastverbindungseinrichtung vorgesehen, die die Kondensatoreinrichtung mit den Gleichspannungseingängen des Wechselrichters verbindet.At least one power module is associated with a capacitor device which can form the DC voltage intermediate circuit of an inverter. For this purpose, an internal load connection device is provided which connects the capacitor device with the DC voltage inputs of the inverter.

Weitere interne Lastverbindungseinrichtungen verbinden Leistungsmodule oder Kondensatoreinrichtungen mit externen Lastverbindungseinrichtungen des Gehäuses.Other internal load connection devices connect power modules or Capacitor devices with external load connection devices of the housing.

Die mindestens eine Flüssigkeitskühleinrichtung ist ausgebildet mittels eines ersten und zweiten Hauptgehäuseteils. Hierzu bildet die Hauptfläche des jeweiligen Hauptgehäuseteils in demjenigen Bereich der einen durchströmbaren Hohlraum der Flüssigkeitskühleinrichtung ausbildet jeweils eine konturierte Oberfläche aus. Das erste Hauptgehäuseteil bildet hierbei die erste, das zweite Hauptgehäuseteil die zweite konturierte Oberfläche. Der durchströmbare Hohlraum wird somit durch die erste und eine zweite einander gegenüberliegende und konturierte Oberflächen ausgebildet.The at least one liquid cooling device is formed by means of a first and second main housing part. For this purpose, the main surface of the respective main housing part forms in each case a contoured surface in the region of the one through-flowable cavity of the liquid cooling device. The first main housing part in this case forms the first, the second main housing part, the second contoured surface. The permeable cavity is thus formed by the first and second opposing and contoured surfaces.

Zwischen dem jeweiligen ersten und zweiten Hauptgehäuseteile ist zur Abdichtung des durchströmbaren Hohlraums eine Dichteinrichtung in bevorzugter Weise vorgesehen, die nach fachüblicher Weise ausgestaltet sein kann.Between the respective first and second main housing parts a sealing device is provided in a preferred manner for sealing the permeable cavity, which can be configured according to the usual way.

Es ist besonders bevorzugt, wenn die Flüssigkeitskühleinrichtung derart gestaltet ist, dass die jeweilige erste und zweite konturierte Oberfläche den durch sie gebildeten Hohlraum in eine Mehrzahl von Teilhohlräumen unterteilt. Hierbei kann mindestens ein erster Teilhohlraum als Verbindungskanal ausgebildet sein, während mindestens ein zweiter Teilhohlraum zur Kühlung von Komponenten vorgesehen ist. Es kann hierbei bevorzugt sein, wenn mindestens ein erster oder ein zweiter Teilhohlraum Strukturen zur Führung eines Kühlmediums aufweist. Ebenso kann es hierbei alternativ oder zusätzlich bevorzugt sein, wenn mindestens ein erster oder ein zweiter Teilhohlraum Strukturen zur Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums aufweist. Derartige Strukturen werden durch eine geeignete Kontur mindestens einer der sie bildenden Oberflächen eines oder beider Hauptgehäuseteile ausgebildet.It is particularly preferred if the liquid cooling device is designed such that the respective first and second contoured surface divides the cavity formed by them into a plurality of partial cavities. In this case, at least one first partial cavity may be formed as a connecting channel, while at least one second partial cavity is provided for cooling components. It may be preferred in this case if at least one first or a second partial cavity has structures for guiding a cooling medium. Likewise, it may alternatively or additionally be preferred if at least one first or a second partial cavity has structures for changing the flow velocity of the cooling medium. Such structures are formed by a suitable contour of at least one of them forming surfaces of one or both main housing parts.

Vorteilhafterweise ist mindestens ein zu kühlendes Leistungsmodul in einem ersten Hauptgehäuseteil angeordnet und zu seiner Kühlung thermisch leitend mit einer Teilfläche der ersten konturierten Oberfläche, insbesondere mit einem zweiten Teilhohlraum, verbunden. Alternativ weist diese erste konturierte Oberfläche mindestens eine Ausnehmung zur Anordnung eines Kühlelements eines zugeordneten Leistungsmoduls auf. Hierdurch ist das Kühlelement dieses Leistungsmoduls direkt von dem Kühlmedium anströmbar, ohne den thermischen Widerstand eines dazwischen liegenden Abschnitts des Hauptgehäuseteils.Advantageously, at least one power module to be cooled is arranged in a first main housing part and, for its cooling, is thermally conductively connected to a partial surface of the first contoured surface, in particular to a second partial cavity. Alternatively, this first contoured surface has at least one recess for arranging a cooling element of an associated power module. As a result, the cooling element of this power module can be flowed directly by the cooling medium, without the thermal resistance of an intermediate section of the main housing part.

Ebenso vorteilhaft, gerade beim Einsatz in Fahrzeugen ist es die Kondensatoreinrichtung in dem gleichen, dem ersten Hauptgehäuseteil, wie das mindestens eine zugeordneten Leistungsmodul anzuordnen und die Kondensatoreinheit thermisch leitend mit der zugeordneten ersten konturierten Oberfläche, genauer gesagt einem Bereich dieser, zu verbinden. Diese Kondensatoreinrichtung kann hierbei einem weiteren zweiten Teilhohlraum zugeordnet sein.Equally advantageous, especially when used in vehicles, is to arrange the capacitor device in the same, the first main housing part, as the at least one associated power module and to thermally conductively connect the capacitor unit to the associated first contoured surface, more precisely to a region thereof. This capacitor device can in this case be assigned to a further second partial cavity.

Die schaltungsgerechte Verbindung mindestens eines derartigen Leistungsmoduls mit einer zugeordneten Kondensatoreinrichtung kann mittels einer ersten internen Lastverbindungseinrichtung erfolgen. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn diese erste Lastverbindungseinrichtung thermisch leitend mit der ersten konturierten Oberfläche, bei besonderen Kühlanforderungen auch mit einem eigenen zweiten Teilhohlraum, verbunden ist.The circuit-compatible connection of at least one such power module with an associated capacitor device can be effected by means of a first internal load connection device. In this case, it is particularly preferred if this first load connection device is thermally conductively connected to the first contoured surface, in the case of special cooling requirements also with its own second part cavity.

Hierbei können diese ersten sowie alternativ oder zusätzlich auch zweite interne Lastverbindungseinrichtungen elektrisch isolierend und thermische leitend umhüllt sein und mittels dieser Umhüllung mit einer konturierten Oberfläche, bei besonderen Kühlanforderungen auch mit einem eigenen zweiten Teilhohlraum, thermisch leitend verbunden sein.In this case, these first and alternatively or additionally also second internal load connection devices can be electrically insulating and thermally enveloped in a conductive manner and by means of this covering with a contoured surface, in the case of special cooling requirements also with a separate second partial cavity, be thermally conductively connected.

Mindestens eine Ansteuereinrichtung kann vorteilhafterweise in einem zweiten Hauptgehäuseteil angeordnet sein und thermisch leitend mit einer Teilfläche, bei besonderen Kühlanforderungen auch mit einem eigenen zweiten Teilhohlraum, der zweiten konturierten Oberfläche verbunden sein.At least one drive device can advantageously be arranged in a second main housing part and thermally conductively connected to a partial area, in the case of special cooling requirements also with its own second partial cavity, the second contoured surface.

Bei dieser Ausgestaltung kann es sinnvoll sein mindestens ein Leistungsmodul mit einer zugeordneten Ansteuereinrichtung mittels einer Steckverbindungseinrichtung zwischen jeweiligen ersten und zweiten Hauptgehäuseteilen elektrisch zu verbinden.In this embodiment, it may be useful to electrically connect at least one power module with an associated drive means by means of a plug connection device between the respective first and second main housing parts.

Bei Ausgestaltung der Kühleinrichtung mit mehreren zweiten Teilhohlräumen und mindestens einem ersten Teilhohlraum, der als Kanal zwischen zweiten Teilhohlräumen ausgebildet ist, ist vorteilhafterweise derjenige zweite Teilhohlraum mit dem Zufluss des Kühlmediums verbunden ist, dessen dort angeordnete Komponente des leistungselektronischen Systems den größten Kühlbedarf aufweist. Beispielhaft kann diese Komponente eine Kondensatoreinrichtung sein, da diese häufig geringere maximale Arbeitstemperaturen aufweisen als beispielhaft Leistungsmodule. Selbstverständlich ist es dann weiter bevorzugt, wenn die weiteren zweiten Teilhohlräume in der Reihenfolge des Kühlbedarfs der dort angeordneten Komponenten durchströmbar sind.In the embodiment of the cooling device with a plurality of second partial cavities and at least one first partial cavity, which is designed as a channel between the second partial cavities, that second partial cavity is advantageously connected to the inflow of the cooling medium whose component of the power electronic system arranged there has the greatest cooling requirement. By way of example, this component may be a capacitor device, since these often have lower maximum operating temperatures than exemplary power modules. Of course, it is then further preferred if the further second partial cavities can be flowed through in the order of the cooling requirement of the components arranged there.

Die erfinderische Lösung wird an Hand der Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 5 weiter erläutert.The inventive solution is based on the embodiments according to the 1 to 5 further explained.

1 zeigt einen seitlichen Schnitt durch ein stark schematisiert dargestelltes erfindungsgemäßes leistungselektronisches System. 1 shows a side section through a highly schematic illustrated inventive power electronic system.

2 zeigt ebenso schematisiert eine Flüssigkeitskühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. 2 also schematically shows a liquid cooling device of a power electronic system according to the invention.

3 bis 5 zeigen verschiedene Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. 3 to 5 show different exploded view of a power electronic system according to the invention.

1 zeigt einen seitlichen Schnitt durch ein stark schematisiert dargestelltes erfindungsgemäßes leistungselektronisches System für ein Fahrzeug mit elektrischem Haupt- oder Hilfsantrieb. Neben dem leistungselektronischen System sind in einem derartigen Fahrzeug in der Regel mindestens ein Antriebsmotor, ein Energiespeicher und weitere Verbraucher elektrischer Energie vorgesehen. Typisch ist hierbei, dass die Betriebsspannung des Energiespeichers unterschiedlich, in der Regel höher ist als diejenige der meisten Verbraucher. 1 shows a side section through a highly schematic illustrated inventive power electronic system for a vehicle with electric main or auxiliary drive. In addition to the power electronic system, at least one drive motor, an energy store and other consumers of electrical energy are generally provided in such a vehicle. It is typical here that the operating voltage of the energy storage is different, usually higher than that of most consumers.

Dargestellt ist ein Gehäuse bestehend aus einem ersten 4 und einem zweiten Hauptgehäuseteil 6. Beide Hauptgehäuseteile 4, 6 sind becherartig ausgebildet mit einer Bodenfläche und einem Rand. Zusätzlich weist jeder Hauptgehäuseteil 4, 6 noch einen Deckel 5, 7 auf. In und an den Hauptgehäuseteilen 4, 6 sind die Komponenten des leistungselektronischen Systems angeordnet.Shown is a housing consisting of a first 4 and a second main body part 6 , Both main body parts 4 . 6 are cup-shaped with a bottom surface and an edge. In addition, each main body part 4 . 6 another lid 5 . 7 on. In and on the main body parts 4 . 6 the components of the power electronic system are arranged.

Das erste, hier untere, Hauptgehäuseteil 4 weist den Zulauf- 82 und den Ablaufanschluss 84 (vgl. 2 bis 4) zu einer durch die beiden Hauptgehäuseteile 4, 6 ausgebildeten Flüssigkeitskühleinrichtung 80 auf. Diese Flüssigkeitskühleinrichtung 80 weist einen von dem Zulaufanschluss 82 zum Ablaufanschluss durchströmbaren Hohlraum 800 auf, der hier durch eine Mehrzahl von Teilhohlräumen 812, 820, 822 gebildet wird. Diese wiederum werden durch die konturierten Oberflächen 840, 860, hier diejenige der Bodenflächen, der beiden Hauptgehäuseteile 4, 6 ausgebildet. Verbindungskanäle ausgebildet als erste Teilhohlräume 812 zwischen zweiten, der Kühlung von Komponenten dienenden Teilhohlräumen 820, 822 oder auch zu dem Zulauf- 82 bzw. Ablaufanschluss können auch nur in einem der beiden Hauptgehäuseteile vorgesehen sein. Zweite Teilhohlräume 820, 822 sind immer mittels beider Hauptgehäuseteile 840, 860 ausgebildet.The first, here lower, main housing part 4 indicates the inflow 82 and the drain port 84 (see. 2 to 4 ) to one through the two main housing parts 4 . 6 trained liquid cooling device 80 on. This liquid cooling device 80 has one of the inlet port 82 cavity through which the drain connection can flow 800 on, here by a plurality of partial cavities 812 . 820 . 822 is formed. These in turn are defined by the contoured surfaces 840 . 860 , here that of the floor surfaces, the two main housing parts 4 . 6 educated. Connecting channels formed as first part cavities 812 between second component cooling parts cavities 820 . 822 or to the feed 82 or drain connection can also be provided only in one of the two main housing parts. Second partial cavities 820 . 822 are always using both main body parts 840 . 860 educated.

Zu kühlende Komponenten des leistungselektronischen Systems stehen in unmittelbarem thermischen Kontakt mit dem durchströmbaren Hohlraum 800, oder bevorzugt wie hier dargestellten mit den zweiten Teilhohlräumen 820, 822 der Flüssigkeitskühleinrichtung 80. Im ersten Hauptgehäuseteil 4 sind hier ein erstes Leistungsmodul 10 in Ausführung einer Drei-Phasen-Brückenschaltung mit zugeordneter Ansteuerschaltung 20 zur Versorgung eines Antriebsmotors, sowie der zugehörige Zwischenkreiskondensator 30 der aus einer externen Gleichspannungsquelle, dem Energiespeicher des Fahrzeugs gespeist wird, angeordnet. Nicht dargestellt sind die internen Lastverbindungseinrichtungen zwischen dem ersten Leistungsmodul 10 und einer Kondensatoreinrichtung 30, hier dem Zwischenkreiskondensator.To be cooled components of the power electronic system are in direct thermal contact with the permeable cavity 800 , or preferably as shown here with the second part cavities 820 . 822 the liquid cooling device 80 , In the first main body part 4 Here are a first power module 10 in execution of a three-phase bridge circuit with associated drive circuit 20 for supplying a drive motor, as well as the associated DC link capacitor 30 is arranged from an external DC voltage source, the energy storage of the vehicle is arranged. Not shown are the internal load connection devices between the first power module 10 and a capacitor device 30 , here the DC link capacitor.

Es ist bevorzugt, wenn sowohl das erste Leistungsmodul 10, wie auch die Kondensatoreinrichtung 30 mittels der Flüssigkeitskühleinrichtung 80 gekühlt werden. Besonders bevorzug ist es, wenn ein zweiter der Kondensatoreinrichtung 30 zugeordneter Teilhohlraum 820 direkt mit dem Zuflussanschluss 82 verbunden ist, da hier die Temperatur des Kühlmediums am geringsten ist. Dies ist vorteilhaft, da die Kondensatoreinrichtung 30 diejenige Komponente des leistungselektronischen Systems sein kann, die die geringste thermische Belastbarkeit aufweist.It is preferred if both the first power module 10 as well as the capacitor device 30 by means of the liquid cooling device 80 be cooled. It is particularly preferable if a second of the capacitor device 30 assigned partial cavity 820 directly with the inflow connection 82 is connected, since the temperature of the cooling medium is the lowest here. This is advantageous because the capacitor device 30 that component of the power electronic system that has the lowest thermal capacity.

Es kann auch die interne Lastverbindungseinrichtung zwischen dem Leistungsmodul 10 und der Kondensatoreinrichtung 30 unmittelbar mittels der Flüssigkeitskühleinrichtung 80 gekühlt sein und hierzu thermisch leitend mit einem Teilhohlraum 820 verbunden sein. Hierbei kann diese Lastverbindungseinrichtung von einer thermisch leitfähigen aber elektrisch isolierenden Umhüllung zumindest teilweise eingeschlossen sein und mittels dieser Umhüllung thermisch mit dem Teilhohlraum verbunden sein. Dieser Mechanismus zur Kühlung internen Lastverbindungseinrichtungen ist selbstverständlich nicht auf die Kühlung der Verbindung zwischen dem ersten Leistungsmodul und der Kondensatoreinrichtung beschränkt.It may also be the internal load connection device between the power module 10 and the capacitor device 30 directly by means of the liquid cooling device 80 be cooled and this thermally conductive with a partial cavity 820 be connected. In this case, this load connection device can be at least partially enclosed by a thermally conductive but electrically insulating sheath and be thermally connected to the partial cavity by means of this sheath. Of course, this mechanism for cooling internal load connection devices is not limited to cooling the connection between the first power module and the capacitor device.

In dem zweiten dargestellten Hauptgehäuseteil 6 ist ein weiteres Leistungsmodul 12, hier ein Gleichspannungswandler vorgesehen, der beispielhaft die Spannung des Energiespeichers des Fahrzeugs an die benötigte Spannung der typischen Verbraucher anpasst. Weiterhin kann hier eine Laderegelung bestehend aus einem Transformator 14 und einem Leistungsmodul vorgesehen sein, das der Ladung des Energiespeichers des Fahrzeugs aus einer innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs vorgesehenen Stromquelle regeln kann. Eine innerhalb des Fahrzeugs vorgesehene Stromquelle kann beispielhaft eine Brennstoffzelle sein, während eine außerhalb der Fahrzeugs vorgesehen Stromquelle das öffentliche Stromnetz oder ein Inselnetz sein kann. Es ist bevorzugt die genannten Komponenten des zweiten Hauptgehäuseteils 6 in geeignete Weise und bei Bedarf auch in definierter Reihenfolge mit Teilhohlräumen 820, 822 unmittelbar thermisch leitend zu verbinden.In the second illustrated main housing part 6 is another power module 12 , Provided here a DC-DC converter, which adapts, for example, the voltage of the energy storage of the vehicle to the required voltage of typical consumers. Furthermore, here is a charge control consisting of a transformer 14 and a power module that can regulate the charge of the energy storage of the vehicle from a provided inside or outside the vehicle power source. For example, a power source provided inside the vehicle may be a fuel cell, while a power source provided outside the vehicle may be the public power grid or a stand alone grid. It is preferred that said components of the second main housing part 6 in a suitable manner and if necessary also in a defined order with partial cavities 820 . 822 directly thermally conductive to connect.

Weiterhin dargestellt ist eine übergeordnete Ansteuereinrichtung 22, die in der hier vorgesehenen Ausgestaltung ohne Beschränkung der Allgemeinheit nicht unmittelbar thermisch mit der Flüssigkeitskühleinrichtung 80 verbunden ist. An dem zweiten Hauptgehäuseteil 6 sind noch die externen Last- und Hilfsverbindungseinrichtungen 70 vorgesehen. Diese dienen beispielhaft der elektrischen Verbindung zum Antriebsmotor, zum Energiespeicher, zu fahrzeuginternen Verbrauchern und der Fahrzeugelektronik.Also shown is a higher-level control device 22 , in the embodiment provided here, without limiting the generality not directly thermally with the Liquid cooling device 80 connected is. At the second main body part 6 are still the external load and auxiliary connection facilities 70 intended. These serve as an example of the electrical connection to the drive motor, energy storage, in-vehicle consumers and the vehicle electronics.

2 zeigt schematisiert eine Flüssigkeitskühleinrichtung 80 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Dargestellt ist ein Blick auf ein quasi aufgeklapptes Gehäuse mit einem ersten 4 und einem zweiten Hauptgehäuseteil 6, deren jeweilige konturierte Oberflächen 840, 860 den durchströmbaren Hohlraum 800 der Flüssigkeitskühleinrichtung 80, hier unterteilt in eine Mehrzahl von Teilhohlräumen 810, 812, 814, 820, 822, 824, ausbilden. 2 schematically shows a liquid cooling device 80 a power electronic system according to the invention. Shown is a view of a quasi unfolded housing with a first 4 and a second main body part 6 , their respective contoured surfaces 840 . 860 the permeable cavity 800 the liquid cooling device 80 , here divided into a plurality of partial cavities 810 . 812 . 814 . 820 . 822 . 824 to train.

Erste Teilhohlräume 810, 812, 814 bilden hierbei Verbindungkanäle zu zweiten Teilhohlräumen 820, 822, 824 aus, deren Oberflächen dann in unmittelbarem thermischen Kontakt mit mindestens einer zu kühlenden Komponente des leistungselektronischen Systems stehen.First partial cavities 810 . 812 . 814 form connection channels to second partial cavities 820 . 822 . 824 from whose surfaces are then in direct thermal contact with at least one component of the power electronic system to be cooled.

Der Zuflussanschluss 82 ist hier an dem ersten Hauptgehäuseteil 4 vorgesehen und geht über in einen ersten Verbindungskanal 812, der sich aufspaltet 816 wodurch zwei zweite Teilhohlräume 820, 822 parallel aber hier bewusst nicht gleichartig mit Kühlflüssigkeit durchströmbar sind. Zur Regelung der Flüssigkeitsmenge für die beiden Teilhohlräume und zur Führung der Kühlflüssigkeit ist hier eine Struktur 830 der Oberfläche der ersten konturierten Oberfläche 4 im Bereich des Verbindungskanals 812 vorgesehen.The inflow connection 82 is here at the first main body part 4 provided and merges into a first connection channel 812 that is splitting up 816 whereby two second partial cavities 820 . 822 parallel but here consciously not similar to flow through the cooling liquid. To control the amount of liquid for the two partial cavities and to guide the cooling liquid is here a structure 830 the surface of the first contoured surface 4 in the area of the connection channel 812 intended.

Einer der beiden parallel durchströmbaren zweiten Teilhohlräume 820, 822 weist ebenfalls Strukturen 830, hier an der ersten 840 und versetzt dazu an der zweiten konturierten Oberfläche 860, auf, die der Führung des Kühlmediums und der Verbesserung des Wärmeübergangs auf das Kühlmedium dienen.One of the two parallel through-flow part cavities 820 . 822 also has structures 830 , here at the first 840 and offset to the second contoured surface 860 , which serve to guide the cooling medium and improve the heat transfer to the cooling medium.

An die beiden parallel durchflossenen zweiten Teilhohlräumen 820, 822 schließen sich Verbindungskanäle 810 an, die in Druchströmungsrichtung durch gestrichelte Pfeile angedeutet, in einen gemeinsamen Verbindungskanal münden 818. Diesem schießt sich dann ein weiterer zweiter Teilhohlraum 824 mit einer Einschnürung in Druchströmungsrichtung an. Diese Einschnürung dient ebenfalls mit Strukturen 830, 832 einer konturierten Oberfläche, hier nur der ersten Oberfläche 840, der Führung der Kühlflüssigkeit und der partiellen Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums. Im Anschluss an diesen zweiten Teilhohlraum 824 liegt in Durchströmungsrichtung ein weiterer Verbindungskanal 814 der in den Ablaufanschluss 84 übergeht.To the two parallel through the second part cavities 820 . 822 Close connection channels 810 on, which indicated in the Druchströmungsrichtung by dashed arrows, open into a common connection channel 818 , This then shoots another second part cavity 824 with a constriction in Druchströmungsrichtung on. This constriction also serves structures 830 . 832 a contoured surface, here only the first surface 840 , The guidance of the cooling liquid and the partial change of the flow velocity of the cooling medium. Following this second part cavity 824 lies in the direction of flow another connecting channel 814 in the drain connection 84 passes.

Beispielhaft dargestellt ist die Lage einer zu kühlenden Komponente 12 des leistungselektronischen Systems zu einem zweiten Teilhohlraum 824 auf der gegenüberliegenden Seite, also auf der Innenseite des zweiten Hauptgehäuseteils 6.Illustrated by way of example is the position of a component to be cooled 12 of the power electronic system to a second sub-cavity 824 on the opposite side, ie on the inside of the second main housing part 6 ,

3 bis 5 zeigen verschiedene Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems mit einem ersten 4 und einem zweiten Hauptgehäuseteil 6, jeweils becherförmig ausgebildet und mit einem Deckel 5, 7 verschließbar. 3 zeigt eine erste Ansicht mit Explosionsdarstellung eines ersten Hauptgehäuseteils 4 aus Blickrichtung schräg von oben, um dessen erste konturierte Oberfläche 840 sichtbar zu machen. Demgegenüber zeigt 4 den Blick von schräg unten um die zweite konturierte Oberfläche 860 des zweiten Hauptgehäuseteils 6 sichtbar zu machen. 5 zeigt schließlich eine Explosionsdarstellung des zweiten Hauptgehäuseteils 6. 3 to 5 show different exploded view of a power electronic system according to the invention with a first 4 and a second main body part 6 , each cup-shaped and with a lid 5 . 7 closable. 3 shows a first exploded view of a first main housing part 4 seen from obliquely from above, around its first contoured surface 840 to make visible. In contrast, shows 4 the view from diagonally below around the second contoured surface 860 of the second main body part 6 to make visible. 5 finally shows an exploded view of the second main housing part 6 ,

Die erste konturierte Oberfläche 840 des ersten Hauptgehäuseteils 4 und die zweite konturierte Oberfläche 860 des zweiten Hauptgehäuseteils 6 bilden die Flüssigkeitskühlreinrichtung 80 des leistungselektronischen Systems aus. Dieses ist hier ausgestaltet mit zwei zweite Teilhohlräume 820, 824 mit einem ersten Teilhohlraum 810 als Verbindungskanal zwischen diesen und mit zwei weiteren ersten Teilhohlräumen 812, 814 zur Verbindung der zweiten Teilhohlräume 820, 824 mit dem Zufluss- 82, bzw. mit dem Ablaufanschluss 84 des Gehäuses.The first contoured surface 840 of the first main body part 4 and the second contoured surface 860 of the second main body part 6 form the liquid cooling device 80 of the power electronic system. This is designed here with two second partial cavities 820 . 824 with a first part cavity 810 as a connecting channel between these and with two other first part cavities 812 . 814 for connecting the second partial cavities 820 . 824 with the inflow 82 , or with the drain connection 84 of the housing.

In dem ersten Hauptgehäuseteil 4 ist hier ein erstes Leistungsmodul 10 in Drei-Phasen-Brückenschaltung vorgesehen, das aus drei Submodulen 100 ausgebildet ist. Jedes Submodul 100 weist eine leistungselektronische Schaltung auf einem Substrat 110 und ein Kühlbauteil 150 auf. Das Kühlbauteil 150 weist eine Vielzahl von Kühlfingern auf, die direkt von einem Kühlmedium umspülbar sind. Hierzu weist der den Submodulen 100 zugeordnete zweite Teilhohlraum 824 je Submodul 100 eine Ausnehmung 850 auf, in welche die Kühlbauteile 150 einsetzbar sind. Selbstverständlich weisen diese Ausnehmungen 850 geeignete fachübliche Dichteinrichtungen zu Abdichtung des Teilhohlraums 824 auf.In the first main body part 4 Here is a first power module 10 in three-phase bridge circuit, consisting of three submodules 100 is trained. Each submodule 100 has a power electronic circuit on a substrate 110 and a cooling member 150 on. The cooling component 150 has a plurality of cold fingers, which are directly umspülbar by a cooling medium. For this purpose, the submodules 100 associated second partial cavity 824 per submodule 100 a recess 850 into which the cooling components 150 can be used. Of course, these recesses 850 suitable professional sealing devices for sealing the partial cavity 824 on.

Den drei Submodulen 100 gemeinsam ist hier eine Ansteuerschaltung 20, die auf der den Kühlbauteilen 150 abgewandten Seite des Substrats 110 vorgesehen ist und mit den Submodulen 100 mittels interner Hilfsverbindungselemente 50 verbunden ist.The three submodules 100 Common here is a drive circuit 20 on the cooling components 150 opposite side of the substrate 110 is provided and with the submodules 100 by means of internal auxiliary connection elements 50 connected is.

Weiterhin ist in dem ersten Hauptgehäuseteil 4 eine Kondensatoreinrichtung 30 vorgesehen, die thermisch unmittelbar mit dem zugeordneten zweiten Teilhohlraum 820 verbunden ist. Die erste Oberfläche 840 des ersten Gehäuseteils 4 weist im Bereich dieses zweiten Teilhohlraums 820 Strukturen 830 zur Führung von Kühlflüssigkeit auf, die gleichzeitig der Verbesserung des Wärmeübergangs vom ersten Hauptgehäuseteil 4 zum Kühlmedium dienen.Furthermore, in the first main housing part 4 a capacitor device 30 provided, the thermally directly with the associated second part cavity 820 connected is. The first surface 840 of the first housing part 4 points in the area of this second partial cavity 820 structures 830 for guiding coolant, which at the same time improving the heat transfer from the first main housing part 4 serve to the cooling medium.

Nur teilweise dargestellt sind interne Last- 40 und Hilfsverbindungseinrichtungen 50, die beispielhaft der Lastverbindung des ersten Leistungsmoduls 10 mit der Kondensatoreinrichtung 30 dienen. Ebensolche internen Lastverbindungseinrichtungen 40 sind vorgesehen zur Verbindung mit notwendigen externen Lastverbindungseinrichtungen 60. Es kann vorteilhaft sein interne Lastverbindungseinrichtungen 40 zumindest teilweise mit einem unmittelbaren thermischen Kontakt zur Flüssigkeitskühleinrichtung 80 vorzusehen. Ebenso vorsehbar sind interne Steckverbindungseinrichtungen 880, die interne Last-, aber auch Hilfsverbindungseinrichtungen 50 der Hauptgehäuseteile 4, 6 miteinander verbinden können und vorzugsweise außerhalb der Flüssigkeitskühleinrichtung 80, die durch eine Dichteinrichtung 870 begrenzt ist, zwischen den konturierten Oberflächen 840, 860 der Hauptgehäuseteile 4, 6 vorgesehen ist.Only partially shown are internal load 40 and auxiliary connection devices 50 , the example of the load connection of the first power module 10 with the capacitor device 30 serve. Just such internal load connection devices 40 are provided for connection to necessary external load connection devices 60 , It may be advantageous to have internal load connection devices 40 at least partially with direct thermal contact with the liquid cooling device 80 provided. Also envisioned are internal connector devices 880 , the internal load, but also auxiliary connection devices 50 the main body parts 4 . 6 can connect together and preferably outside of the liquid cooling device 80 passing through a sealing device 870 is limited, between the contoured surfaces 840 . 860 the main body parts 4 . 6 is provided.

Die zweite konturierte Oberfläche 860 des zweiten Hauptgehäuseteils 6 weist den Submodulen 100, genauer gesagt deren Kühlbauteil 150 gegenüberliegend Strukturen, hier Erhöhungen 834 auf, um die Durchströmung des Teilhohlraums 824 durch Beschränken des für das Kühlmedium zur Verfügung stehenden Raumes zu begrenzen. Es ist bevorzugt, wenn Komponenten, die in dem zweiten Hauptgehäuseteil 6 angeordnet sind thermisch mit diesen Erhöhungen 834 verbunden sind. Da hier keine weiteren Strukturen zur Verbesserung der thermischen Anbindung vorgesehen sind ist es vorteilhaft hier Komponenten vorzusehen, deren Kühlbedarf geringer ist. Dies kann beispielhaft ein weiteres Leistungsmodul, das als Gleichspannungswandler ausgebildet ist oder ein Transformator hierfür sein.The second contoured surface 860 of the second main body part 6 indicates the submodules 100 , more precisely their cooling component 150 opposite structures, here raises 834 on to the flow through the part cavity 824 by limiting the space available for the cooling medium. It is preferred if components are in the second main housing part 6 are arranged thermally with these elevations 834 are connected. Since no further structures for improving the thermal connection are provided here, it is advantageous to provide components here whose cooling requirement is lower. By way of example, this can be a further power module designed as a DC-DC converter or a transformer for this purpose.

Weiterhin weist diese zweite konturierte Oberfläche 860 im Vergleich zur ersten Oberfläche 840 im Bereich desjenigen Teilhohlraums 820, der der Kondensatoreinrichtung 30 zugeordnet ist ebenfalls Strukturen auf. Diese sind grundsätzlich identisch zu denjenigen der ersten Oberfläche 840 ausgebildet allerdings versetzt hierzu angeordnet.Furthermore, this second contoured surface 860 compared to the first surface 840 in the area of that partial cavity 820 , the capacitor device 30 Structures are also assigned to. These are basically identical to those of the first surface 840 trained but arranged offset to this.

Den beiden zweiten Teilhohlräumen 820, 824 zugeordnet und unmittelbar thermisch leitend damit verbunden sind im zweiten Hauptgehäuseteil 6 weitere Leistungsmodule 12, 16 vorgesehen. Eines dieser Leistungsmodule 12 bildet zusammen mit einem Transformator einen Gleichspannungswandler aus, während das andere Leistungsmodul 16 die Ladung des Energiespeichers regelt.The two second partial cavities 820 . 824 assigned and directly thermally conductively connected thereto are in the second main housing part 6 additional power modules 12 . 16 intended. One of these power modules 12 forms together with a transformer from a DC-DC converter, while the other power module 16 the charge of the energy storage regulates.

Weiterhin im zweiten Hauptgehäuseteil 6 vorgesehen und in dieser Ausgestaltung nicht unmittelbar thermisch mit der Flüssigkeitskühleinrichtung 80 verbunden ist eine zentral Ansteuereinrichtung 12, die der Steuerung der in diesem Hauptgehäuseteil 6 angeordneten Komponenten aber auch der Kommunikation mit Komponenten des ersten Hauptgehäuseteils 4 dienen kann.Continue in the second main housing part 6 provided and in this embodiment, not directly thermally with the liquid cooling device 80 Connected is a central control device 12 that control the part in this main body 6 arranged components but also the communication with components of the first main housing part 4 can serve.

Die im zweiten Hauptgehäuseteil 6 angeordneten Komponenten des leistungselektronischen Systems sind mittels nicht vollständig dargestellter interner Last- 40 und Hilfsverbindungseinrichtungen 50 schaltungsgerecht miteinander verbunden. Diese interner Last- 40 und Hilfsverbindungseinrichtungen 50 stellen auch die notwendigen Verbindungen der Komponenten mit am Gehäuse angeordneten externen Last- 60 und Hilfsverbindungseinrichtungen her.The second main housing part 6 arranged components of the power electronic system are not fully represented by internal load 40 and auxiliary connection devices 50 connected to each other This internal load 40 and auxiliary connection devices 50 also provide the necessary connections of the components with external load 60 and auxiliary connection devices.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010043466 A1 [0003]

Claims

Power electronic system with a multi-part housing ( 2 ) with at least a first ( 4 ) and a second main housing part ( 6 ), at least one power module ( 10 . 12 . 16 ), at least one drive device ( 20 . 22 ), at least one capacitor device ( 30 ), internal and external load and auxiliary connection devices ( 40 . 42 . 50 . 60 . 70 ) and at least one each by a first ( 4 ) and a second main housing part ( 6 ) formed liquid cooling device ( 80 ) with a permeable cavity ( 800 ) formed by first and second opposing and contoured surfaces ( 840 . 860 ) of this first ( 4 ) and second main housing parts ( 6 ) is trained.

The power electronic system according to claim 1, wherein between the respective first and second main body parts a sealing device ( 870 ) for sealing the permeable cavity ( 800 ) is provided.

Power electronic system according to claim 1, wherein in a first ( 4 ) or a second main housing parts ( 6 ) are both the inflow ( 82 ), as well as the drain connection ( 84 ) to the liquid cooling device ( 80 ) intended.

Power electronic system according to claim 1, wherein at least one power module ( 10 ) in a first main housing part ( 4 ) is arranged and thermally conductive with a partial surface of the first contoured surface ( 840 ) or this first contoured surface ( 840 ) each have a recess ( 850 ) for arranging a cooling element ( 150 ) of the at least one power module ( 10 ) having.

Power electronic system according to claim 1, wherein a capacitor device ( 30 ) in a first main housing part ( 4 ) and is thermally conductive with one of the associated first contoured surface ( 840 ) connected is.

Power electronic system according to claim 4 and 5, wherein at least one power module ( 10 ) with an associated capacitor device ( 30 ) by means of a first internal load connection device ( 40 ) is connected according to the circuit and this first load connection device ( 40 ) thermally conductive with the first contoured surface ( 840 ) connected is.

Power electronic system according to claim 1 or 6, wherein the first ( 40 ) and / or second internal load connection devices ( 42 ) are electrically insulating and thermally conductive coated and by means of this envelope with a contoured surface ( 840 . 860 ) are thermally conductively connected.

Power electronic system according to claim 1, wherein the drive device ( 22 ) in a second main housing part ( 6 ) is arranged and thermally conductive with a partial surface of the second contoured surface ( 860 ) connected is.

Power electronic system according to claim 4 and 8, wherein at least one power module ( 10 . 12 ) with an associated drive device ( 20 ) by means of a plug connection device ( 880 ) between respective first ( 4 ) and second main housing parts ( 6 ) is electrically connected.

Power electronic system according to claim 1, wherein the respective first ( 840 ) and second contoured surface ( 860 ) the cavity formed by them ( 800 ) such that at least one first ( 810 . 812 . 814 ) and at least a second partial cavity ( 820 . 822 . 824 ) arises.

Power electronic system according to claim 10, wherein at least a first partial cavity as a connecting channel ( 810 . 812 . 814 ) is trained.

Power electronic system according to claim 10, wherein at least one partial cavity ( 810 . 812 . 814 . 820 . 822 . 824 ) forms structures ( 830 . 834 ) to guide a cooling medium.

Power electronic system according to claim 10, wherein at least one partial cavity ( 810 . 812 . 814 . 820 . 822 . 824 ) forms structures ( 832 ) for changing the flow velocity of a cooling medium.

The power electronic system of claim 10, wherein at a plurality of second sub-cavities ( 820 . 822 ) that second partial cavity ( 820 ) with the inflow connection ( 82 ) of the liquid cooling device ( 80 ), whose component of the power electronic system arranged there has the greatest cooling requirement, and wherein the further second partial cavities ( 824 ) can be flowed through in the order of the cooling demand of the components arranged there.