DE102016106749A1

DE102016106749A1 - Leistungsmodulbaugruppe für ein fahrzeug

Info

Publication number: DE102016106749A1
Application number: DE102016106749.0A
Authority: DE
Inventors: Tienli Wang; Guangyin Lei; Edward Chan-Jiun JIH; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-02-09
Also published as: CN106042889A; US9919608B2; CN106042889B; US20160308480A1

Abstract

Eine Leistungsmodulbaugruppe enthält mehrere Leistungsmodule, die jeweils eine Leistungsstufe mit gegenüberliegenden Hauptseiten und Nebenseiten, die von einem Rahmen umgeben sind, aufweisen. Der Rahmen erstreckt sich an den Hauptseiten vorbei und definiert zusammen mit den Hauptseiten Taschen auf jeder Seite des Leistungsmoduls. Die Module sind derart in einem Stapel angeordnet, dass beieinanderliegende Taschen zusammen Kühlmittelkammern bilden, die mit den Modulen verschachtelt sind.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Leistungsmodulbaugruppen für Kraftfahrzeuge.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Fahrzeuge wie etwa Batterieelektrofahrzeuge (BEVs), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs) und Vollhybridelektrofahrzeuge (FHEVs) enthalten eine Traktionsbatteriebaugruppe, die als eine Energiequelle für eine oder mehrere elektrische Maschinen dient. Die Traktionsbatterie enthält Komponenten und Systeme zum Unterstützen des Verwaltens der Fahrzeugleistung und von Operationen. Ein Leistungswechselrichter ist elektrisch zwischen die Batterie und die elektrischen Maschinen geschaltet, um den von der Batterie kommenden Gleichstrom in mit den elektrischen Maschinen kompatiblen Wechselstrom umzuwandeln. Der Leistungswechselrichter kann auch als Gleichrichter wirken, um Wechselstrom von den elektrischen Maschinen in mit der Batterie kompatiblen Gleichstrom umzuwandeln.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Leistungswechselrichter mehrere Leistungsmodule, die jeweils eine Leistungsstufe mit gegenüberliegenden Hauptseiten und Nebenseiten, von einem Rahmen umgeben, aufweisen. Der Rahmen erstreckt sich an den Hauptseiten vorbei und definiert zusammen mit den Hauptseiten Taschen in jeder Seite des Leistungsmoduls. Die Module sind derart in einem Stapel angeordnet, dass beieinanderliegende Taschen zusammen Kühlmittelkammern bilden, die mit den Modulen verschachtelt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält eine Leistungsmodulbaugruppe mehrere Leistungsmodule, die jeweils gegenüberliegende Hauptseiten aufweisen. Jede der gegenüberliegenden Seiten definiert eine darin eingelassene Tasche. Die Module sind derart in einem Stapel angeordnet, dass beieinanderliegende Taschen zusammen Kühlmittelkammern bilden, die mit den Modulen verschachtelt sind.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform enthält ein Fahrzeug eine Traktionsbatterie, die elektrisch mit mindestens einer elektrischen Maschine verbunden ist, und Räder, die konfiguriert sind, durch die mindestens eine elektrische Maschine angetrieben zu werden. Das Fahrzeug enthält ferner einen Leistungswechselrichter, der elektrisch zwischen die Batterie und die mindestens eine elektrische Maschine geschaltet ist. Der Leistungswechselrichter enthält mehrere Leistungsmodule, die jeweils eine Leistungsstufe mit gegenüberliegenden Hauptseiten und Nebenseiten, die von einem Rahmen umgeben sind, aufweisen. Der Rahmen erstreckt sich an den Hauptseiten vorbei und definiert zusammen mit den Hauptseiten Taschen in jeder Seite des Leistungsmoduls. Die Module sind derart in einem Stapel angeordnet, dass beieinanderliegende Taschen zusammen Kühlmittelkammern bilden, die mit den Modulen verschachtelt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schemadiagramm eines beispielhaften Hybridfahrzeugs.
2 ist ein Schemadiagramm eines variablen Spannungswandlers und eines Leistungswechselrichters.
3 ist eine Perspektivansicht einer Leistungsmodulbaugruppe.
4 ist im Querschnitt eine Seitenansicht der in 3 gezeigten Leistungsmodulbaugruppe entlang einer Schnittlinie 4-4.
5 ist eine Perspektivansicht eines der Module der Baugruppe von 3.
6 ist im Querschnitt eine Seitenansicht des Moduls von 5 entlang einer Schnittlinie 6-6.
7 ist eine Draufsicht auf einen Verteiler der Baugruppe von 3.
8 ist eine Vorderansicht eines Moduls.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend anzusehen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um dem Fachmann zu lehren, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich verwenden kann. Wie der Durchschnittsfachmann versteht, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus dargestellten Merkmalen liefern repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
Ein Beispiel eines PHEV ist in 1 dargestellt und wird allgemein als ein Fahrzeug 16 bezeichnet. Das Fahrzeug 16 enthält ein Getriebe 12 und wird durch mindestens eine elektrische Maschine 18 mit Unterstützung von einem Verbrennungsmotor 20 angetrieben. Die elektrische Maschine 18 kann ein elektrischer Wechselstrommotor sein, in 1 als „Motor“ 18 dargestellt. Die elektrische Maschine 18 empfängt elektrische Leistung und liefert Drehmoment für den Fahrzeugantrieb. Die elektrische Maschine 18 fungiert auch als ein Generator zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch regeneratives Bremsen.
Das Getriebe 12 kann eine leistungsverzweigte Konfiguration sein. Das Getriebe 12 enthält die erste elektrische Maschine 18 und eine zweite elektrische Maschine 24. Die zweite elektrische Maschine 24 kann ein elektrischer Wechselstrommotor sein, der in 1 als „Generator“ 24 dargestellt ist. Wie die erste elektrische Maschine 18 empfängt die zweite elektrische Maschine 24 elektrische Leistung und liefert Ausgangsdrehmoment. Die zweite elektrische Maschine 24 fungiert auch als ein Generator zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung und Optimieren eines Leistungsflusses durch das Getriebe 12. Bei anderen Ausführungsformen besitzt das Getriebe keine leistungsverzweigte Konfiguration.
Das Getriebe 12 enthält eine Planetenradeinheit 26, die ein Sonnenrad 28, einen Planetenträger 30 und ein Hohlrad 32 enthält. Das Sonnenrad 28 ist mit einer Abtriebswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 zum Empfangen von Generatordrehmoment verbunden. Der Planetenträger 30 ist mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 20 zum Empfangen von Verbrennungsmotordrehmoment verbunden. Die Planetenradeinheit 26 kombiniert das Generatordrehmoment und das Verbrennungsmotordrehmoment und liefert ein kombiniertes Ausgangsdrehmoment um das Hohlrad 32. Die Planetenradeinheit 26 fungiert als ein kontinuierlich variables Getriebe ohne jegliche feste Verhältnisse oder „Stufenverhältnisse“.
Das Getriebe 12 kann auch eine Freilaufkupplung (O.W.C. – One-Way-Clutch) und eine Generatorbremse 33 enthalten. Die Freilaufkupplung ist an die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 20 gekoppelt, um eine Drehung der Abtriebswelle nur in einer Richtung zu gestatten. Die Freilaufkupplung verhindert, dass das Getriebe 12 den Verbrennungsmotor 20 rückwärts antreibt. Die Generatorbremse 33 ist an die Abtriebswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 gekoppelt. Die Generatorbremse 33 kann aktiviert werden, um eine Drehung der Abtriebswelle der zweiten elektrischen Maschine 24 und des Sonnenrads 28 zu „bremsen“ oder zu verhindern. Alternativ können die Freilaufkupplung und die Generatorbremse 33 eliminiert und durch Steuerstrategien für den Verbrennungsmotor 20 und die zweite elektrische Maschine 24 ersetzt werden.
Das Getriebe 12 enthält eine Vorgelegewelle mit Zwischenrädern einschließlich eines ersten Zahnrads 34, eines zweiten Zahnrads 36 und eines dritten Zahnrads 38. Ein Planetenabtriebsrad 40 ist mit dem Hohlrad 32 verbunden. Das Planetenabtriebsrad 40 kämmt mit dem ersten Zahnrad 34 zum Transferieren von Drehmoment zwischen der Planetenradeinheit 26 und der Vorgelegewelle. Ein Abtriebsrad 42 ist mit einer Abtriebswelle der ersten elektrischen Maschine 18 verbunden. Die Abtriebswelle 42 kämmt mit dem zweiten Zahnrad 36 zum Transferieren von Drehmoment zwischen der ersten elektrischen Maschine 18 und der Vorgelegewelle. Ein Getriebeabtriebsrad 44 ist mit einer Antriebswelle 46 verbunden. Die Antriebswelle 46 ist durch ein Differenzial 50 an ein Paar angetriebener Räder 48 gekoppelt. Das Getriebeabtriebsrad 44 kämmt mit dem dritten Zahnrad 38 zum Transferieren von Drehmoment zwischen dem Getriebe 12 und den angetriebenen Rädern 48. Das Getriebe enthält auch einen Wärmetauscher oder einen automatischen Getriebefluidkühler 49 zum Kühlen des Getriebefluids.
Das Fahrzeug 16 enthält eine Energiespeichereinrichtung wie etwa eine Traktionsbatterie 52 zum Speichern elektrischer Energie. Die Batterie 52 ist eine Hochspannungsbatterie, die elektrische Leistung zum Betreiben der ersten elektrischen Maschine 18 und der zweiten elektrischen Maschine 24 ausgeben kann. Die Batterie 52 empfängt auch elektrische Leistung von der ersten elektrischen Maschine 18 und der zweiten elektrischen Maschine 24, wenn sie als Generatoren arbeiten. Die Batterie 52 ist ein Batteriepaket, das aus mehreren nicht gezeigten Batteriemodulen besteht, wobei jedes Batteriemodul mehrere nicht gezeigte Batteriezellen enthält. Andere Ausführungsformen des Fahrzeugs 16 ziehen verschiedene Arten von Energiespeichereinrichtungen in Betracht wie etwa Kondensatoren und Brennstoffzellen (nicht gezeigt), die die Batterie 52 ergänzen oder ersetzen. Ein Hochspannungsbus verbindet die Batterie 52 elektrisch mit der ersten elektrischen Maschine 18 und der zweiten elektrischen Maschine 24.
Das Fahrzeug enthält ein Batterieenergiesteuermodul (BECM – Battery Energy Control Module) 54 zum Steuern der Batterie 52. Das BECM 54 empfängt eine Eingabe, die Fahrzeugbedingungen und Batteriebedingungen wie etwa Batterietemperatur, -spannung und -strom anzeigt. Das BECM 54 berechnet und schätzt Batterieparameter wie etwa Batterieladezustand und die Batterieleistungskapazität. Das BECM 54 liefert eine Ausgabe (BSOC, P_cap), die einen Batterieladezustand (BSOC – Battery State Of Charge) und eine Batterieleistungskapazität (P_cap) anderen Fahrzeugsystemen und Controllern anzeigt.
Das Fahrzeug 16 enthält einen DC-DC-Wandler oder einen variablen Spannungswandler (VVC – Variable Voltage Converter) 10 und einen Wechselrichter 56. Der VVC 10 und der Wechselrichter 56 sind elektrisch zwischen die Traktionsbatterie 52 und die erste elektrische Maschine 18 und zwischen die Batterie 52 und die zweite elektrische Maschine 24 geschaltet. Der VVC 10 „verstärkt“ oder erhöht das Spannungspotential der durch die Batterie 52 gelieferten elektrischen Leistung. Der VVC 10 „schwächt“ oder verringert auch das Spannungspotenzial der an die Batterie 52 gelieferten elektrischen Leistung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Der Wechselrichter 56 invertiert die durch die Hauptbatterie 52 (durch den VVC 10) gelieferte DC-Leistung in AC-Leistung zum Betreiben der elektrischen Maschinen 18, 24. Der Wechselrichter 56 richtet auch durch die elektrischen Maschinen 18, 24 gelieferte AC-Leistung in DC zum Laden der Traktionsbatterie 52 gleich. Andere Ausführungsformen des Getriebes 12 beinhalten nicht gezeigte mehrere Wechselrichter, wie etwa einen mit jeder elektrischen Maschine 18, 24 assoziierten Wechselrichter. Der VVC 10 enthält eine Induktorbaugruppe 14.
Das Getriebe 12 enthält ein Getriebesteuermodul (TCM – Transmission Control Module) 58 zum Steuern der elektrischen Maschinen 18, 24, des VVC 10 und des Wechelrichters 56. Das TCM 58 ist unter anderem konfiguriert zum Überwachen der Position, Drehzahl und des Leistungsverbrauchs der elektrischen Maschinen 18, 24. Das TCM 58 überwacht auch elektrische Parameter (zum Beispiel Spannung und Strom) an verschiedenen Orten innerhalb des VVC 10 und des Wechselrichters 56. Das TCM 58 liefert diesen Informationen entsprechende Ausgangssignale an andere Fahrzeugsysteme.
Das Fahrzeug 16 enthält einen Fahrzeugsystemcontroller (VSC – Vehicle System Controller) 60, der mit anderen Fahrzeugsystemen und Controllern kommuniziert, um ihre Funktion zu koordinieren. Wenngleich er als ein einzelner Controller gezeigt ist, kann der VSC 60 mehrere Controller beinhalten, die verwendet werden können, um mehrere Fahrzeugsysteme gemäß einer Gesamtfahrzeugsteuerlogik oder einer entsprechenden Software zu steuern.
Die Fahrzeugcontroller, einschließlich des VCS 60 und des TCM 58, beinhalten allgemein eine beliebige Anzahl an Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speichern (z.B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und einen Softwarecode zum Zusammenwirken miteinander, um eine Reihe von Operationen durchzuführen. Die Controller enthalten auch vorbestimmte Daten oder „Nachschlagetabellen“, die auf Berechnungen und Testdaten basieren und innerhalb des Speichers gespeichert sind. Der VSC 60 kommuniziert mit anderen Fahrzeugsystemen und Controllern (z.B. dem BECM 54 und dem TCM 58) über eine oder mehrere verdrahtete oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung üblicher Busprotokolle (z.B. CAN und LIN). Der VSC 60 empfängt eine Eingabe (PRND), die eine aktuelle Position des Getriebes 12 darstellt (z.B. Parken, Rückwärtsgang, Neutral oder Fahren). Der VSC 60 empfängt auch eine Eingabe (APP), die eine Fahrpedalposition darstellt. Der VSC 60 liefert eine Ausgabe, die ein Radsolldrehmoment, eine Verbrennungsmotorsolldrehzahl und einen Generatorbremsbefehl darstellt, an das TCM 58 und eine Schaltschützsteuerung an das BECM 54.
Das Fahrzeug 16 enthält ein Verbrennungsmotorsteuermodul (ECM – Engine Control Module) 64 zum Steuern des Verbrennungsmotors 20. Der VSC 60 liefert eine Ausgabe (Verbrennungsmotorsolldrehmoment) an das ECM 64, die auf einer Anzahl von Eingangssignalen einschließlich APP basiert und einer Fahrernachfrage nach Fahrzeugantrieb entspricht.
Falls das Fahrzeug 16 ein PHEV ist, kann die Batterie 52 periodisch AC-Energie von einer externen Stromversorgung oder einem externen Netz über einen Ladeport 66 empfangen. Das Fahrzeug 16 enthält auch ein Bordladegerät 68, das die AC-Energie vom Ladeport 66 empfängt. Das Ladegerät 68 ist ein AC/DC-Wandler, der die empfangene AC-Energie in für das Laden der Batterie 52 geeignete DC-Energie umwandelt. Das Ladegerät 68 wiederum liefert die DC-Energie während des Wiederaufladens an die Batterie 52. Wenngleich im Kontext eines PHEV 16 dargestellt und beschrieben, versteht sich, dass der Wechselrichter 56 an anderen Arten von Elektrofahrzeugen wie etwa einem HEV oder BEV implementiert werden kann.
Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Stromschema des VVC 10 und des Wechselrichters 56 gezeigt. Der VVC 10 kann eine erste Schalteinheit 70 und eine zweite Schalteinheit 72 zum Verstärken der Ausgangsspannung (V_bat) enthalten, um eine Ausgangsspannung (V_dc) bereitzustellen. Die erste Schalteinheit 70 kann einen ersten Transistor 74 enthalten, der parallel zu einer ersten Diode 76 geschaltet ist, wobei aber ihre Polaritäten vertauscht sind (antiparallel). Die zweite Schalteinheit 72 kann einen zweiten Transistor 78 enthalten, der antiparallel zu einer zweiten Diode 80 geschaltet ist. Jeder Transistor 74, 78 kann ein beliebiger Typ von steuerbarem Schalter sein (z.B. ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ein Feldeffekttransistor (FET)). Außerdem kann jeder Transistor 74, 78 individuell durch das TCM 58 gesteuert werden. Die Induktorbaugruppe 14 ist als ein Eingangsinduktor dargestellt, der in Reihe zwischen die Traktionsbatterie 52 und die Schalteinheiten 70, 72 geschaltet ist. Der Induktor 14 generiert einen Magnetfluss, wenn ein Strom zugeführt wird. Wenn sich der durch den Induktor 14 fließende Strom ändert, wird ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugt und eine Spannung wird induziert. Andere Ausführungsformen des VVC 10 beinhalten alternative Schaltungskonfigurationen (z.B. mehr als zwei Schalter).
Der Wechselrichter 56 kann mehrere Halbbrücken 82 enthalten, die in einer Baugruppe gestapelt sind. Jede der Halbbrücken kann als eine Leistungsstufe gekapselt sein. In der dargestellten Ausführungsform enthält der Wechselrichter 56 sechs Halbbrücken, drei für den Motor 18 und drei für den Generator 24. Jede der Halbbrücken 82 kann eine positive DC-Zuleitung 84 enthalten, die an einen positiven DC-Knoten von der Batterie gekoppelt ist, und eine negative DC-Zuleitung 86, die an einen negativen DC-Knoten von der Batterie gekoppelt ist. Jede der Halbbrücken 82 kann auch eine erste Schalteinheit 88 und eine zweite Schalteinheit 90 enthalten. Die erste Schalteinheit 88 kann einen ersten Transistor 92 enthalten, der parallel zu einer ersten Diode 94 geschaltet ist. Die zweite Schalteinheit 90 kann einen zweiten Transistor 96 enthalten, der parallel zu einer zweiten Diode 98 geschaltet ist. Der erste und zweite Transistor 92, 96 können IGBTs oder FETs sein. Die erste und zweite Schalteinheit 88, 90 jeder der Halbbrücken 82 wandelt die DC-Leistung der Batterie in eine einphasige AC-Ausgabe an der AC-Zuleitung 100 um. Jede der AC-Zuleitungen 100 ist elektrisch mit dem Motor 18 oder dem Generator 24 verbunden. In dem dargestellten Beispiel sind drei der AC-Zuleitungen 100 elektrisch mit dem Motor 18 verbunden, und die anderen drei AC-Zuleitungen 100 sind elektrisch mit dem Generator 24 verbunden.
Unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 kann der Leistungswechselrichter 56 eine Leistungsmodulbaugruppe 57, ein nicht gezeigtes Kondensatormodul und eine nicht gezeigte Gateansteuerplatine enthalten. Die Leistungsmodulbaugruppe 57 enthält mehrere in einem Stapel angeordnete Leistungsmodule 122. Die Leistungsmodulbaugruppe 57 enthält ein erstes Leistungsmodul 124, das ein Ende des Stapels definiert, und ein letztes Leistungsmodul 126, das das andere Ende des Stapels definiert. Eine erste Endplatte 128 ist gegen das erste Modul 124 angeordnet, und eine zweite Endplatte 130 ist gegen das letzte Modul 126 angeordnet. Die Endplatten schichten zusammen den Stapel und können eine Komprimierung bereitstellen, um das Zusammenhalten des Stapels zu unterstützen.
Jedes der Leistungsmodule 122 enthält einen Rahmen 132 mit gegenüberliegenden Hauptseiten 134, 136 um sich dazwischen erstreckende Nebenseiten 138. In der dargestellten Ausführungsform ist der Rahmen 132 ein hohler rechteckiger Körper mit einer linken Seite 140, einer rechten Seite 142, einer Oberseite 144 und einer Unterseite 146, die zusammen eine äußere Oberfläche 150, eine innere Oberfläche 148, eine vordere Oberfläche 152 une eine hintere Oberfläche 154 definieren. Der Rahmen 132 kann bei anderen Ausführungsformen eine andere Gestalt besitzen. Die innere Oberfläche 148 definiert eine Umhüllung zum Aufnehmen einer Leistungsstufe 82. Die Leistungsstufe 82 kann Halbleiterbauelemente enthalten, wie in 2 gezeigt ist.
Die Leistungsstufe 82 enthält gegenüberliegende Hauptseiten 158 und mehrere Nebenseiten 160. Die Leistungsstufe 82 wird innerhalb der Umhüllung aufgenommen und wird auf mindestens einigen der Nebenseiten 160 vom Rahmen 132 umgeben. Die Leistungsstufe 82 enthält einen positiven DC-Leistungsanschluss 162 und einen negativen DC-Leistungsanschluss 164, die sich durch ein oder mehrere, in der rechten Seite 142 definierte Löcher erstrecken. Jeder der DC-Anschlüsse 164 kann mit entsprechenden Anschlüssen des Kondensatormoduls verbunden sein. Ein AC-Leistungsanschluss 166 der Leistungsstufe 82 erstreckt sich durch ein in der Unterseite 146 definiertes Loch. Die AC-Leistungsanschlüsse 166 sind elektrisch mit den elektrischen Maschinen 18, 24 verbunden. Erste und zweite Signalstifte 168, 170 der Leistungsstufe 82 erstrecken sich durch ein oder mehrere, in der linken Seite 140 definierte Löcher. Die Signalstifte 168, 170 können elektrisch mit der Gateansteuerplatine verbunden sein. Der Ort der Anschlüsse und Signalstifte kann je nach Ausführungsform variieren und sie sind nicht durch die gezeigte Konfiguration beschränkt. Eine erste Platte 172 ist gegen eine der Hauptseiten 158 der Leistungsstufe 82 angeordnet, und eine zweite Platte 174 ist gegen die andere Hauptseite der Leistungsstufe 82 angeordnet. Die erste und zweite Platte 172, 174 sind angeordnet mit der Tafel 176 exponiert sind und wobei mindestens einige der Kanten 178 die innere Oberfläche 148 des Rahmens 132 in Eingriff nehmen. Die erste und zweite Platte 172, 174 können metallisch, aus Kunststoff, aus einem Verbundwerkstoff oder einer Kombination davon sein. Die Halbleiterbauelemente der Leistungsstufe 82 können mit einem Epoxid 156 oder einem anderen Füllmittel gefüllt sein, um die Leistungsstufe elektrisch von den Platten und anderen Komponenten zu isolieren. Man beachte: Das Epoxid ist der Übersichtigkeit halber nicht schraffiert.
Die Nebenseiten 138 des Rahmens 132 sind dick genug, um sich an der äußeren Tafelseite 176 der Platten 172, 174 in der Längsrichtung des Stapels vorbei zu erstrecken. Das verlängerte Gebiet des Rahmens 132 und die Tafel 176 jeder Platte definieren ein in die Hauptseiten des Leistungsmoduls 122 eingelassenes Paar Taschen 180. Jedes der Leistungsmodule 122 enthält auch eine zwischen dem Rahmen 132 und der Leistungsstufe 82 definierte Öffnung 184. Ein Teiler 167 kann in der Öffnung 184 angeordnet sein.
Wie am besten in den 3 und 4 gezeigt sind die individuellen Leistungsmodule 122 in einem Stapel angeordnet, wobei die vorderen und hinteren Oberflächen 152, 154 benachbarter Rahmen 132 gegen einander angeordnet sind. Wenn sie gestapelt sind, definieren die Taschen 180 der benachbarten Leistungsmodule 122 zusammen Kühlmittelkammern 182, die mit den Modulen 122 geschachtelt sind. Die Endplatten und die Leistungsmodule können auch zusammen einige der Kühlmittelkammern 182 definieren. Beispielsweise definiert die erste Endplatte 128 zusammen mit dem ersten Modul 124 eine äußere Kühlmittelkammer und die zweite Endplatte 130 definiert zusammen mit dem letzten Modul 126 eine weitere äußere Kühlmittelkammer. Die äußeren Kühlmittelkammern können ein kleineres Volumen besitzen als die inneren Kühlmittelkammern, oder die Endplatten können einen eingelassenen Bereich besitzen, um äußere Kühlmittelkammern mit einem gleichen oder ähnlichen Volumen wie die inneren Kühlmittelkammern bereitzustellen. Alternativ können die äußeren Kühlmittelkammern entfallen. Beispielsweise kann jede der Endplatten 128, 130 eine vorstehende Fläche enthalten, die innerhalb der äußeren Tasche des ersten und letzten Moduls 124, 126 aufgenommen ist, um die Tasche zu füllen. Jede der Kühlmittelkammern 182 kann auf fünf Seiten begrenzt sein und kann eine offene Oberseite besitzen. Jede der Kühlkammern 182 kann eine Kanalisierung oder andere Merkmale enthalten, um innerhalb der Kammer zirkulierendes Fluid zu führen.
Unter Bezugnahme auf die 4, 5 und 7 bilden die Öffnungen 184 in jedem der Module 122 zusammen einen Hohlraum 186, der sich entlang einer Länge des Stapels erstreckt. Die offene Oberseite jeder der Kühlmittelkammern 182 mündet in den Hohlraum 186. Ein Verteiler 188 ist innerhalb des Hohlraums 186 aufgenommen und erstreckt sich entlang einer Länge des Stapels. Der Verteiler 188 kann eine Versorgungskammer 190 und eine Rückkammer 192 enthalten. Die Kammern können sich auf entgegengesetzten Seiten des Teilers 167 befinden. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Versorgungskammer und die Rückkammer Seite an Seite positioniert, doch werden andere Konfigurationen in Betracht gezogen. Die Versorgungskammer 190 enthält einen Port 194, der mit einer Versorgungsleitung verbunden ist, und die Rückkammer 192 enthält einen Port 196, der mit einer Rückleitung verbunden ist. Die Versorgungs- und Rückleitung bilden Teil eines größeren Wärmemanagementsystems, das Pumpen, Radiatoren, andere Leitungen, Ventile und andere Komponenten enthalten kann. Eine untere Oberfläche 202 des Verteilers 188 ist über der offenen Oberseite jeder der Kühlmittelkammern 182 angeordnet. Die untere Oberfläche 202 des Verteilers 188 kann als eine Decke für die Kühlmittelkammern 182 wirken. Die untere Oberfläche 202 der Versorgungskammer 190 kann mehrere Einlässe 198 enthalten, die die Versorgungskammer 190 in Fluidkommunikation mit jeder der Kühlmittelkammern 182 bringen. Die untere Oberfläche der Rückkammer 192 kann mehrere Auslässe 200 enthalten, die die Rückkammer in Fluidkommunikation mit jeder der Kühlmittelkammern 182 bringen. Während des Betriebs wird druckbeaufschlagtes Kühlmittel in der Versorgungskammer 190 in jede der Kühlmittelkammern 182 zirkuliert, um die Leistungsmodule 122 zu kühlen. Das Kühlmittel verlässt die Kühlmittelkammern 182 über die Auslässe 200 in die Rückkammer 192. Mit Hilfe der Kanalisierung (falls enthalten) innerhalb jeder der Kühlmittelkammern 182 wird das Fluid zwischen den Einlässen 198 und den Auslässen 200 geleitet. Die Teiler 167 tragen dazu bei zu verhindern, dass Kühlmittel direkt von einem Auslass 198 zu einem Einlass 200 fließt, ohne durch die Kühlmittelkammern 182 zu fließen.
Die Kühlmittelkammern 182 sind derart mit den Verteilern verbunden, dass die Kammern in parallelen Strömungswegen angeordnet sind. Die parallele Strömungsweganordnung liefert einen gleichförmigeren Temperaturgradienten entlang der Länge des Stapels, weil das Kühlmittel innerhalb der Versorgungskammer 190 relativ gleichförmig ist. In Reihe angeordnete Kühlmittelkammern können einen relativ großen Temperaturgradienten aufweisen, wobei Kühlmittel am Ausgangsende des Stapels viel heißer ist als am Eingangsende des Stapels.
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine Querschnittsansicht eines weiteren Leistungswechselrichters 220 dargestellt. Der Leistungswechselrichter 220 enthält mehrere Leistungsmodule 222, die einen Rahmen 224 mit einer vorderen Oberfläche 226 und einer hinteren Oberfläche (nicht sichtbar) besitzen. In der dargestellten Ausführungsform enthält der Rahmen 224 auch eine linke Seite 230, eine rechte Seite 232, eine Oberseite 234 und eine Unterseite 236. Ein oberer vorragender Abschnitt 238 erstreckt sich von der Oberseite 234 nach oben und definiert einen Hohlraum 240. Ein unterer vorragender Abschnitt 242 erstreckt sich von der Unterseite 236 nach unten und definiert einen Hohlraum 244.
Eine Leistungsstufe 246 ist innerhalb des Rahmens 224 aufgenommen. Die Leistungsstufe enthält Hauptseiten, die nicht von dem Rahmen bedeckt sind, und Nebenseiten, die von einer inneren Oberfläche des Rahmens 224 umgeben sind. Die Leistungsstufe 246 enthält ein Paar positiver und negativer DC-Anschlüsse 248, die sich durch die linke Seite 230 erstrecken, und einen AC-Anschluss 250, der sich durch die linke Seite 230 erstreckt. Das Paar positiver und negativer DC-Anschlüsse 248 ist nebeneinander gestapelt und in der Figur ist nur einer von ihnen sichtbar. Signalstifte 253 der Leistungsstufe 246 erstrecken sich durch die rechte Seite 232. Die Anschlüsse und Signalstifte können bei anderen Ausführungsformen an anderen Orten platziert sein. Platten 251 sind auf jeder der Hauptseiten der Leistungsstufe 246 angeordnet. Der Rahmen 224 ist so bemessen, dass er sich unter Ausbildung einer Tasche an den Platten vorbei erstreckt. Benachbarte Taschen bilden zusammen Kühlmittelkammern, wie oben beschrieben. Ein Einlassverteiler 254 ist innerhalb des oberen Hohlraums 240 aufgenommen, und ein Auslassverteiler 256 ist innerhalb des unteren Hohlraums 244 aufgenommen. Der Verteiler kann geringfügig kleiner sein als der Hohlraum (wie gezeigt) oder kann im Wesentlichen die gleiche Größe besitzen. Der Einlass- und Auslassverteiler befinden sich in Fluidkommunikation mit jeder der Kühlmittelkammern über Einlässe 258 und Auslässe 260. Während des Betriebs des Kühlsystems fließt Fluid von dem Einlassverteiler 254 über die Leistungsstufe 246 und über den Auslassverteiler 256 hinaus, um die Leistungsstufe 246 zu kühlen. Wie dargestellt, sind der obere und untere vorragende Abschnitt und der obere und untere Verteiler auf der Mittellinie des Rahmens 224 zentriert. In anderen Ausführungsformen jedoch können die vorragenden Abschnitte und Verteiler links oder rechts von der Mittellinie versetzt sein.
Wenngleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen eingeschlossen werden. Die in der Patentschrift verwendeten Wörter sind Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Wenngleich die verschiedenen Ausführungsformen so beschrieben worden sein könnten, dass sie Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik bezüglich einer oder mehrerer Charakteristika bevorzugt sind, könnte der Durchschnittsfachmann erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder Charakteristika beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erzielen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Dauerhaftigkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage und so weiter zählen. Als solches liegen Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Charakteristika als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.

Claims

Leistungswechselrichter, der Folgendes umfasst: mehrere Leistungsmodule, die jeweils eine Leistungsstufe mit gegenüberliegenden Hauptseiten und Nebenseiten, die von einem Rahmen umgeben sind, enthalten, wobei sich der Rahmen an den Hauptseiten vorbei erstreckt und zusammen mit den Hauptseiten Taschen auf jeder Seite des Leistungsmoduls definiert und wobei die Module derart in einem Stapel angeordnet sind, dass beieinanderliegende Taschen zusammen Kühlmittelkammern bilden, die mit den Modulen verschachtelt sind.
Leistungswechselrichter nach Anspruch 1, wobei die mehreren Leistungsmodule außerdem ein erstes Modul, das ein Ende des Stapels definiert, und ein letztes Modul, das das andere Ende des Stapels definiert, enthalten, weiterhin umfassend eine erste Endplatte, die an dem ersten Modul angeordnet ist, und eine zweite Endplatte, die an dem letzten Modul angeordnet ist.
Leistungswechselrichter nach Anspruch 2, wobei die erste Endplatte zusammen mit dem ersten Modul eine äußere Kühlmittelkammer definiert.
Leistungswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rahmen und die Leistungsstufe jedes der Module derart angeordnet sind, dass der Rahmen von einer der Nebenseiten der Leistungsstufe beabstandet ist unter Ausbildung einer Öffnung zwischen dem Rahmen und der Nebenseite und wobei die Öffnungen ausgerichtet sind und zusammen einen Hohlraum definieren, der sich entlang einer Länge des Stapels erstreckt.
Leistungswechselrichter nach Anspruch 4, weiterhin umfassend einen Verteiler, der innerhalb des Hohlraums aufgenommen ist und mit jeder der Kühlmittelkammern in Fluidkommunikation steht.
Leistungswechselrichter nach Anspruch 5, wobei der Verteiler außerdem eine Einlasskammer mit mehreren Einlassports in Fluidkommunikation mit mindestens einer der Kühlmittelkammern und einer Auslasskammer mit mehreren Auslassports in Fluidkommunikation mit mindestens einer der Kühlmittelkammern enthält.
Leistungswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Rahmen und die Leistungsstufe jedes der Leistungsmodule derart angeordnet sind, dass jedes der Leistungsmodule außerdem eine zwischen dem Rahmen und der Leistungsstufe definierte erste Öffnung und eine zwischen dem Rahmen und der Leistungsstufe definierte zweite Öffnung enthält, und wobei die erste und zweite Öffnung in jedem der Leistungsmodule ausgerichtet sind und zusammen mit ersten und zweiten Öffnungen an benachbarten Leistungsmodulen ein Paar Hohlräume definieren, die sich entlang einer Länge des Stapels erstrecken.
Leistungswechselrichter nach Anspruch 7, außerdem umfassend einen Einlassverteiler, der in einem der Hohlräume aufgenommen ist, und einen Auslassverteiler, der in dem anderen der Hohlräume aufgenommen ist.
Leistungswechselrichter nach Anspruch 8, wobei der Einlassverteiler außerdem mehrere Einlassports in Fluidkommunikation mit mindestens einer der Kühlmittelkammern enthält und wobei der Auslassverteiler weiterhin mehrere Auslassports in Fluidkommunikation mit mindestens einer der Kühlmittelkammern enthält.
Leistungswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Leistungsstufe jedes der Leistungsmodule außerdem mindestens einen Gleichstromanschluss, der sich von einer der Nebenseiten erstreckt und durch eine innerhalb des Rahmens definierte Öffnung vorsteht, und einen Wechselstromanschluss, der sich von einer anderen der Nebenseiten erstreckt und durch eine innerhalb des Rahmens definierte zusätzliche Öffnung vorsteht, enthält.
Leistungswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kühlmittelkammern in einer Parallelflusskonfiguration angeordnet sind.
Leistungsmodulbaugruppe, die Folgendes umfasst: mehrere Leistungsmodule jeweils mit gegenüberliegenden Hauptseiten, die jeweils eine darin eingelassene Tasche definieren, wobei die Module derart in einem Stapel angeordnet sind, dass beieinanderliegende Taschen zusammen Kühlmittelkammern bilden, die mit den Modulen verschachtelt sind.
Baugruppe nach Anspruch 12, wobei die mehreren Leistungsstufen außerdem ein erstes Modul, das ein Ende des Stapels definiert, und ein letztes Modul, das das andere Ende des Stapels definiert, enthalten, außerdem umfassend eine erste Endplatte, die gegen das erste Modul angeordnet ist, und eine zweite Endplatte, die gegen das letzte Modul angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 13, wobei die erste Endplatte zusammen mit dem ersten Modul eine äußere Kühlmittelkammer definiert.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei jedes der Leistungsmodule außerdem eine Öffnung enthält und wobei die Öffnungen ausgerichtet sind und zusammen einen Hohlraum definieren, der sich entlang einer Länge des Stapels erstreckt.
Baugruppe nach Anspruch 15, außerdem umfassend einen Verteiler, der innerhalb des Hohlraums aufgenommen ist und mit jeder der Kühlmittelkammern in Fluidkommunikation steht.
Fahrzeug, das Folgendes umfasst: mindestens eine elektrische Maschine; eine Traktionsbatterie, die elektrisch mit der mindestens einen elektrischen Maschine verbunden ist; Räder, die konfiguriert sind, durch die mindestens eine elektrische Maschine angetrieben zu werden; und einen Leistungswechselrichter, der elektrisch zwischen die Batterie und die mindestens eine elektrische Maschine geschaltet ist und mehrere Leistungsmodule enthält, die jeweils eine Leistungsstufe mit gegenüberliegenden Hauptseiten und Nebenseiten, die von einem Rahmen umgeben sind, enthalten, wobei sich der Rahmen an den Hauptseiten vorbei erstreckt und zusammen mit den Hauptseiten Taschen auf jeder Seite des Leistungsmoduls definiert und wobei die Module derart in einem Stapel angeordnet sind, dass beieinanderliegende Taschen zusammen Kühlmittelkammern bilden, die mit den Modulen verschachtelt sind.
Fahrzeug nach Anspruch 17, wobei der Rahmen und die Leistungsstufe jedes der Leistungsmodule derart angeordnet sind, dass der Rahmen von einer der Nebenseiten der Leistungsstufe beabstandet ist unter Ausbildung einer Öffnung zwischen dem Rahmen und der Nebenseite, und wobei die Öffnungen ausgerichtet sind und zusammen einen Hohlraum definieren, der sich entlang einer Länge des Stapels erstreckt.
Fahrzeug nach Anspruch 18, wobei der Leistungswechselrichter außerdem einen Verteiler enthält, der innerhalb des Hohlraums aufgenommen ist und in Fluidkommunikation mit jeder der Kühlmittelkammern steht.
Fahrzeug nach Anspruch 19, wobei die Leistungsstufe außerdem mindestens einen Gleichstromanschluss, der sich von einer der Nebenseiten erstreckt und durch eine im Rahmen definierte Öffnung vorsteht, und einen Wechselstromanschluss, der sich von einer anderen der Nebenseiten erstreckt und durch eine im Rahmen definierte zusätzliche Öffnung erstreckt, enthält.