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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein elektrisches Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, enthaltend zumindest eine Elektromaschine, beispielsweise nach Art eines Elektromotors, und eine der Elektromaschine vorgeschaltete Leistungselektronikeinheit, wobei ein Kühlkanal vorhanden ist, um Kühlmittel der Elektromaschine zuzuführen und dort entstehenden Abwärme abzuführen.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Kühlsysteme für elektrische Antriebssysteme bekannt. Zum Beispiel offenbart die
WO2015/078465A1 ein Hybridmodul und ein Leistungselektronikmodul mit einem gemeinsamen Kühlstrom, wobei das Hybridmodul von einem Kühlmittelstrom durchströmbar ist, der ein Leistungselektronikmodul zum Betreiben des Hybridmoduls durchströmt.
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Der Stand der Technik hat jedoch immer den Nachteil, dass eine Stromversorgungselektronik, insbesondere ein Kondensator, nur passiv beziehungsweise indirekt gekühlt wird durch eine Kühlvorrichtung in der Nähe. Bei handelsüblichen Kondensatoren ist keine integrierte Kühlung vorhanden. Da die Kondensatoren im elektrischen Antriebssystem als Energiespeicher im Zwischenkreis dienen und hohe Ströme in kurzer Zeit zur Verfügung stellen müssen, steigen mit den steigenden Stromanforderungen auch die unvermeidbaren Energiewandlungsverluste im Kondensator, so dass bei hoher Leistungsdichte des Systems eine zusätzliche Kühlmaßnahme für den Kondensator erforderlich ist.
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung, den Nachteil aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll ein Kühlsystem entwickelt werden, das eine gezielte Temperaturverteilung und eine gezielte Wärmeabführung für die Elektromaschine, die Leistungselektronikeinheiten und auch für weitere elektronische Komponenten zur Stromversorgung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Eingang des Kühlkanals an einer zwischen der Leistungselektronikeinheit und der Elektromaschine angeordneten Stromversorgungselektronik, wie einem Akkumulator, beispielsweise wie einem Kondensator, vorhanden ist und der kühlmittelstromabwärtige Ausgang des Kühlkanals an der Elektromaschine vorhanden ist.
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Dies hat den Vorteil, dass durch dieses aktive Kühlkonzept der elektronischen Komponenten die Verlustleistung bei der Energiewandlung gezielt abgeführt wird. Vorteilhafterweise bedarf es dabei keiner zusätzlichen Teile für die Anpassung des Kühlkanallaufes, da die bestehenden Kühlkreisläufe für die Elektromaschine oder die Leistungselektronikeinheit mitgenutzt werden. So können also der Einlass, der Auslass und die Verbindungsstücke des Kühlsystems durch geometrische Anpassung eine Kühlfunktion für zusätzliche Komponenten, insbesondere für einen Kondensator, Stromschienen oder ähnliche Komponenten, erfüllen. Es wird also erreicht, dass ein gezieltes Wärmemanagement innerhalb der gesamten Baugruppe und damit einhergehend eine höhere Leistungsdichte und kleinere Bauräume möglich sind. Dies hat als weitere positive Folge, dass die Lebensdauer der Komponenten erhöht werden kann.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Zusätzlich ist es zweckmäßig, wenn sich der Kühlkanal von dessen Eingang durch die Stromversorgungselektronik hindurch zu der Elektromaschine erstreckt. Dadurch kann vorteilhafterweise das Kühlmittel der Elektromaschine auch für die Stromversorgungselektronik genutzt werden. Es müssen keine zusätzlichen Kühlkanäle mit eigenem Eingang/Einlass oder Ausgang/Auslass eingebaut werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich die Richtung des elektrischen Stromflusses etwa von der Leistungselektronikeinheit bspw. über die Stromversorgungselektronik zur Elektromaschine von der Richtung des Kühlmittelflusses etwa von der Stromversorgungselektronik bspw. über die Leistungselektronikeinheit zur Elektromaschine in einem Teilbereich, insbesondere in einem Bereich der Stromversorgungselektronik, unterscheidet, vorzugsweise dort (einander) entgegen gerichtet ist. Dadurch ist der Kühlmittelstrom also vollkommen (richtungs)unabhängig von dem Stromfluss.
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Wenn der Kühlkanal so ausgebildet ist, dass das Kühlmittel den Kondensator und/oder die anderen elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel eine Stromschiene/Sammelschiene, und danach die Elektromaschine und/oder die Leistungselektronikkomponente/Leistungselektronikeinheit/Leistungshalbleiter kühlend umströmt, dann wird die Kühlkraft des Kühlmittels besonders effektiv genutzt, da zuerst die Komponenten mit kleiner Verlustleistung umströmt werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Kühlmittel zuerst die Komponenten mit kleiner bis mittlerer Verlustleistung, also Wärmeabgabe, danach die Komponenten mit hoher Verlustleistung umströmt. Da die Komponenten mit der geringen Verlustleistung verhältnismäßig wenig Abwärme produzieren, reicht die Kühlkraft des Kühlmittels auch für die Komponenten mit hoher Verlustleistung aus. Durch die aktive Kühlung der Komponenten kann eine Volumenreduzierung der Komponenten und damit einhergehend eine höhere Leistungsdichte der Komponenten und des Gesamtsystems ermöglicht werden.
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Ein günstiges Ausführungsbeispiel zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Stromversorgungselektronik ein Gehäuse besitzt, das aus einem synthetischen Material, insbesondere aus Kunststoff, gefertigt ist. Das Gehäuse aus Kunststoff kann die Aufgaben der Isolation, der Kühlung, der Wasserführung und des Schutzes vor mechanischer Belastung in Einem erfüllen.
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Auch ist es vorteilhaft, die Kühlung bereits beim Aufbau des Kondensators zu integrieren und mit der Funktion des Gehäuses zu kombinieren. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine Einsparung von Bauteilen. Außerdem ist es vorteilhaft, ein Kunststoffgehäuse für den Kondensator einzusetzen, da dadurch Kosten und Gewicht eingespart werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, dass ein elektrisches Antriebssystem mit einem solchen Kühlsystem eingesetzt wird.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine integrierte Kondensatorkühlung, die in ein bestehendes Kühlsystem für die Leistungselektronik und die Elektromaschine integriert wird. So wird eine aktive Kühlung des Kondensators sichergestellt. Insbesondere im Bereich von Antriebsinvertern und Gleichspannungswandlern (DC/DC-Konvertern) ist dieser Einsatz von diesem Kühlsystem von Vorteil. Generell kann die Erfindung aber auch in allen elektrischen Antriebssystemen mit leistungselektronischen Komponenten eingesetzt werden. Bevorzugt wird die Erfindung also in elektronischen Baugruppen hoher Leistungs- und Integrationsdichte, bevorzugt in Stromrichtern, Wechselrichtern und Konvertern, eingesetzt.
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Bestehende Kühlsysteme zur Kühlung von Leistungshalbleitern und elektrischen Maschinen, bei denen ein Großteil der Verluste entsteht, werden so erweitert, dass weitere elektronische Komponenten, wie zum Beispiel ein Kondensator, eine Stromschiene oder ähnliche Komponenten, mitgekühlt werden. Dieses aktive Kühlkonzept für alle elektronischen Komponenten stellt eine gezielte Temperaturverteilung und eine gute Wärmeabführung aufgrund der unterschiedlichen Temperaturbereiche sicher. Die Anpassung des Kühlkreislaufs kann ohne zusätzliche Bauteile realisiert werden. Die bestehenden Einlass-, Auslass- und Verbindungsstücke des Kühlkreislaufes können durch geometrische Anpassung eine Kühlfunktion für zusätzliche Komponenten mit kleiner bis mittlerer Verlustleistung erfüllen, da so die Kühlleistung immer noch ausreichend ist. Insbesondere kann beispielsweise ein Kondensator so gekühlt werden, dass ein Kühlkanal in das Gehäuse, vorzugsweise aus Kunststoff, integriert wird und somit die Aufgabe der Isolation, der Kühlung, der Wasserführung und des Schutzes vor mechanischer Belastung des Kondensators übernimmt. Der Kühlkanal wird vorzugsweise so angeordnet, dass zuerst der Kondensator oder die Stromversorgungselektronik, dann der Leistungshalbleiter und zuletzt die elektrische Maschine durchströmt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kühlsystems mit integrierter Kühlung für eine Stromversorgungselektronik,
- 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kühlsystems, und
- 3 eine perspektivische Ansicht der Stromversorgungselektronik mit einem in einem Gehäuse integrierten Kühlkanal.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 1 für ein elektrisches Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs. In dem Kühlsystem 1 ist ein Kühlkanal 2 enthalten, der ausgelegt ist, um Kühlmittel zum Abführen von Wärme zu führen. Der Kühlkanal 2 transportiert Kühlmittel, das die Elektromaschine 3 und eine der Elektromaschine 3 vorgeschaltete Leistungselektronikeinheit/Leistungselektronikkomponente 4 umströmt. Zwischen die Elektromaschine 3 und die Leistungselektronikeinheit 4, die insbesondere als Leistungshalbleiter ausgebildet ist, ist eine Stromversorgungselektronik 5, die vorzugsweise als Kondensator oder auch als Stromschiene/Sammelschiene ausgebildet ist, angeordnet.
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Die Stromversorgungselektronik 5, in 1 bis 3 also der Kondensator, ist von einem Gehäuse 6 umgeben, in dem der Kühlkanal 2 integriert ist. Der Kühlkanal 2 besteht aus einem elektromaschinenseitigen Kühlkanalabschnitt 7, aus einem leistungselektronikeinheitsseitigen Kühlkanalabschnitt 8 und einem stromversorgungselektronikseitigen Kühlkanalabschnitt 9. Die Kühlkanalabschnitte 7, 8, 9 sind dabei so angeordnet, dass zuerst die Stromversorgungselektronik 5 durchflossen wird, dann die Leistungselektronikeinheit 4, dann wieder die Stromversorgungselektronik 5 und zuletzt die Elektromaschine 3.
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Das Kühlmittel strömt durch einen Eingang/Einlass 10 des Kühlkanals 2 in das Gehäuse 6 der Stromversorgungselektronik 5. Dann strömt das Kühlmittel über einen ersten Zwischenauslass 11 von der Stromversorgungselektronik 5 über einen Leistungselektronikkühleinlass 12 in den leistungselektronikeinheitsseitigen Kühlkanalabschnitt 8 der Leistungselektronikeinheit 4. Der Kühlkanal 2 führt weiter durch einen Leistungselektronikkühlauslass 13 über einen Zwischeneinlass 14 der Stromversorgungselektronik 5 zurück in den stromversorgungselektronikseitigen Kühlkanalabschnitt 9.
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Über einen zweiten Zwischenauslass 15 der Stromversorgungselektronik 5 fließt das Kühlmittel über den Elektromaschineneinlass 16 in den elektromaschinenseitigen Kühlkanalabschnitt 7. An der Elektromaschine 3 ist auch der Ausgang 17 des Kühlkanals 2 angeordnet. Hier wird die von der Abwärme erwärmte Kühlmittelflüssigkeit aus dem Kühlsystem 1 herausgeleitet.
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2 zeigt eine Seitenansicht des Kühlsystems 1. Hier ist besonders gut zu erkennen, dass die Stromversorgungselektronik 5 zwar zwischen der Leistungselektronikeinheit 4 und der Elektromaschine 3 angeordnet ist, der Kühlkanal 2 aber in der Stromversorgungselektronik 5 beginnt und über die Leistungselektronikeinheit 4 zurück in die Stromversorgungselektronik 5 führt, bevor er in die Elektromaschine 3 hineinführt. Die Stromflussrichtung ist also in einem Bereich der Fließrichtung des Kühlmittels in dem Kühlkanal 2 entgegen gerichtet.
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3 zeigt den Kühlkanal 2, der in der Stromversorgungselektronik 5 angeordnet ist, noch einmal deutlich. Über den Eingang 10 fließt das Kühlmittel also in den stromversorgungselektronikseitigen Kühlkanalabschnitt 9 hinein. In mehreren Kühlschlangen wird das Kühlmittel durch die Wand des Gehäuses 6 nach unten geleitet, wo das Kühlmittel die Stromversorgungselektronik 5 über den ersten Zwischenauslass 11 verlässt. Auf der anderen Seite des Gehäuses 6 der Stromversorgungselektronik 5 wird das Kühlmittel wieder eingeleitet über den Zwischeneinlass 14 und in weiteren Kühlschlangen nach oben geleitet. Über den zweiten Zwischenauslass 15 verlässt das Kühlmittel den stromversorgungselektronikseitigen Kühlkanalabschnitt 9, der über den Elektromaschineneinlass 16 in den weiteren Kühlkanal 2 innerhalb der Elektromaschine 3 übergeht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlsystem
- 2
- Kühlkanal
- 3
- Elektromaschine
- 4
- Leistungselektronikeinheit/Leistungselektronikkomponente
- 5
- Stromversorgungselektronik
- 6
- Gehäuse
- 7
- elektromaschinenseitiger Kühlkanalabschnitt
- 8
- leistungselektronikeinheitsseitiger Kühlkanalabschnitt
- 9
- stromversorgungselektronikseitiger Kühlkanalabschnitt
- 10
- Eingang/Einlass
- 11
- erster Zwischenauslass
- 12
- Leistungselektronikkühleinlass
- 13
- Leistungselektronikkühlauslass
- 14
- Zwischeneinlass
- 15
- zweiter Zwischenauslass
- 16
- Elektromaschineneinlass
- 17
- Ausgang/Auslass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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