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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine elektrische Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung weist zumindest eine leistungselektronische Baugruppe auf, welche dazu ausgelegt ist, eine von einem Hochvoltenergiespeicher der elektrischen Antriebseinheit bereitgestellte elektrische Energie und/oder eine dem Hochvoltenergiespeicher zugeführte elektrische Energie umzuformen und welche zumindest eine elektronische Komponente aufweist. Außerdem weist die Vorrichtung zumindest ein stromführendes Verbindungselement zum elektrischen Verbinden der zumindest eine elektronischen Komponenten mit zumindest einer weiteren elektronischen Komponente und eine Wärmesenke zum Aufnehmen von Wärme auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Antriebseinheiten für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Elektrische Antriebseinheiten weisen üblicherweise eine Vielzahl von elektronischen Komponenten auf. Solche Komponenten können beispielsweise Komponenten eines Hochvoltenergiespeichers, einer elektrischen Maschine und einer leistungselektronischen Baugruppe (kurz: Leistungselektronik) sein, welche mit dem Hochvoltenergiespeicher elektrisch verbunden ist und auch mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden sein kann.
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Die elektrische Verbindung zwischen den Komponenten wird zumeist über elektrische Verbindungselemente in Form von stromtragenden Bauteilen, z.B. Stromschienen, bereitgestellt. Diese erwärmen sich aufgrund ihres Innenwiderstandes in Abhängigkeit von der Stromstärke des transportierten Stroms. Um dieser Erwärmung entgegenzuwirken, werden Stromschienen mit einem geringen Innenwiderstand bereitgestellt. Dazu werden solche Stromschienen aus Kupfer mit großem Querschnitt gefertigt. Dies hat jedoch hohe Materialkosten sowie ein hohes Gewicht der elektrischen Verbindungselemente zur Folge.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders effiziente, kostengünstige und gewichtsarme elektrische Verbindung für elektronische Komponenten einer elektrischen Antriebseinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, eine elektrische Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für eine elektrische Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs weist zumindest eine leistungselektronische Baugruppe auf, welche dazu ausgelegt ist, eine von einem Hochvoltenergiespeicher der elektrischen Antriebseinheit bereitgestellte elektrische Energie und/oder eine dem Hochvoltenergiespeicher zugeführte elektrische Energie umzuformen und welche zumindest eine elektronische Komponente aufweist. Außerdem weist die Vorrichtung zumindest ein stromführendes Verbindungselement zum elektrischen Verbinden der zumindest einen elektronischen Komponente mit zumindest einer weiteren elektronischen Komponente auf. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Wärmesenke zum Aufnehmen von Wärme. Das zumindest eine stromführende Verbindungselement ist zumindest teilweise durch einer Heatpipe ausgebildet, welche dazu ausgelegt ist, sowohl einen Strom zwischen den elektronischen Komponenten zu führen als auch eine an dem elektrischen Verbindungselement abfallende Wärme an die Wärmesenke abzugeben.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug aufweisend einen Hochvoltenergiespeicher und eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Dabei ist die zumindest eine leistungselektronische Baugruppe bzw. Leistungselektronik elektrisch mit dem Hochvoltenergiespeicher verbunden. Die elektrische Antriebseinheit kann außerdem eine elektrische Maschine und eine Ladedose aufweisen. Dabei kann die elektrische Antriebseinheit eine leistungselektronische Baugruppe in Form von einem Inverter bzw. Wechselrichter aufweisen, welcher zwischen den Hochvoltenergiespeicher und die elektrische Maschine geschaltet ist. Der Inverter ist insbesondere dazu ausgelegt, die von dem Hochvoltenergiespeicher bereitgestellte Gleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung umzuwandeln. Auch kann die elektrische Antriebseinheit eine leistungselektronische Baugruppe in Form von einem Gleichrichter eines fahrzeugseitigen Ladegerätes bzw. On-Board-Laders aufweisen, welcher zwischen den Hochvoltenergiespeicher und die Ladedose des Kraftfahrzeugs geschaltet ist. Über die Ladedose und den Gleichrichter kann dem Hochvoltenergiespeicher zum Laden elektrische Energie einer fahrzeugexternen Ladestation zugeführt werden.
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Die zumindest eine elektronische Komponente der Leistungselektronik ist vorzugsweise ein Leistungsmodulchip mit zumindest einem Leistungshalbleiterschalter. Der zumindest eine Leistungshalbleiterschalter kann beispielsweise ein IGBT oder Leistungs-MOSFET sein. Um diese zumindest eine leistungselektroninterne Komponente mit der zumindest einen weiteren Komponente elektrisch zu verbinden, ist das elektrische Verbindungselement vorgesehen. Die zumindest eine weitere Komponente kann beispielsweise eine leistungselektronikinterne Komponente, beispielsweise ein weiterer Leistungsmodulchip, und/oder eine leistungselektronikexterne Komponente, beispielsweise eine Phase der elektrischen Maschine, sein. Das elektrische Verbindungselement ist zumindest teilweise durch die zumindest eine Heatpipe ausgebildet. Die zumindest eine Heatpipe ist elektrisch mit der zumindest einen Komponente der leistungselektronischen Baugruppe verbunden und mit der zumindest einen weiteren Komponente elektrisch verbindbar. Außerdem ist die zumindest eine Heatpipe zur Kühlung des elektrischen Verbindungselementes thermisch mit der Wärmesenke gekoppelt. Die Heatpipe ist somit dazu ausgebildet, die zwei Komponenten elektrisch zu verbinden und Abwärme an die Wärmesenke abzuführen. Die Abwärme kann beispielsweise durch den Betrieb der Komponenten entstehen und über die zumindest eine Heatpipe an die Wärmesenke transportiert werden. Auch kann die Abwärme an den stromführenden Bereichen der Heatpipe selbst entstehen und von dort aus an die Wärmesenke abgeführt werden.
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Die Heatpipe bzw. das Wärmerohr weist insbesondere eine elektrisch leitfähige Umhüllung auf, über welche der Storm zwischen den Komponenten geleitet wird und welche insbesondere flexibel bzw. biegbar ist. Die Umhüllung ist insbesondere mit einer Kapillarstruktur, beispielsweise einem Kupfergeflecht, und mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise einer Flüssigkeit, befüllt. Das Arbeitsmedium bildet einen Wärmeträger, welcher durch Abwärme zur Verdampfung gebracht werden kann. Das verdampfte Arbeitsmedium kondensiert an der Wärmesenke wieder und gibt dadurch die Abwärme an die Wärmesenke ab. Durch die Multifunktionalität der zumindest einen Heatpipe als stromführendes Bauelement und als Wärmeableiter kann in vorteilhafter Weise auf teure und schwere Kupferstromschienen verzichtet werden. Darüber hinaus können aufgrund der Flexibilität der Heatpipe Stromleitpfade mit geringem Bauraum und hoher geometrischer Flexibilität aufgebaut bzw. gebildet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine stromführende Verbindungselement vollständig durch die zumindest eine Heatpipe gebildet ist. Somit kann auf besonders bauteilsparende Weise nur mittels der zumindest einen Heatpipe die elektrische Verbindung zwischen den Komponenten bei gleichzeitig effektiver Wärmeabfuhr bereitgestellt werden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine stromführende Verbindungselement teilweise durch die zumindest eine Heatpipe gebildet ist und zumindest ein Leiterstück aufweist, welches elektrisch mit der zumindest einen Heatpipe gekoppelt ist und elektrisch mit zumindest einer der elektronischen Komponenten koppelbar ist. Das zumindest eine Leiterstück kann beispielsweise ein Stromschienenstück sein, welches an der zumindest einen Heatpipe befestigt, beispielsweise festgeschweißt, ist. Die Heatpipe kann in diesem Fall entlang ihrer Länge in einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich unterteilt sein. Der erste Teilbereich ist mit dem Leiterstück elektrisch verbunden, sodass der Strom über den ersten Teilbereich der Heatpipe und das Leiterstück geführt wird. Der zweite Teilbereich ist mit der Wärmesenke thermisch gekoppelt. Der zweite Teilbereich bildet also einen zu dem Leiterstück parallelen Pfad aus, führt jedoch keinen Strom. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, falls die Wärmesenke beabstandet zu den Komponenten angeordnet ist. Die flexible Heatpipe kann thermisch mit der Wärmesenke gekoppelt werden, während die Stromführung durch das Leiterstück übernommen wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Heatpipe entlang ihrer Länge zumindest bereichsweise anliegend an der Wärmesenke angeordnet ist. Beispielsweise kann die Heatpipe mit einem flachen, ovalen Querschnitt ausgebildet werden. Dadurch weist die Heatpipe einen Oberflächenbereich auf, welcher beispielsweise anliegend an der Wärmesenke angeordnet werden kann. Somit entsteht bei der thermischen Anbindung ein großflächiger Überlappungsbereich zwischen der Heatpipe und der Wärmesenke. Dies resultiert in einem hohen Überdeckungsgrad der Heatpipe mit der Wärmesenke, durch welchen die thermische Anbindung einen geringen thermischen Widerstand aufweist und lokale Hotspots an der jeweiligen Komponente verhindert werden können. Unter der anliegenden Anordnung ist hier auch eine Anordnung zu verstehen, bei welcher sich ein Verbindungsmaterial zwischen der Heatpipe und der Wärmesenke befindet.
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Vorzugsweise ist die zumindest eine Heatpipe mittels eines elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Materials thermisch und mechanisch mit der Wärmesenke gekoppelt. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Umhüllung der Heatpipe und die Wärmesenke aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, gebildet sind. Um eine unerwünschte elektrische Verbindung zwischen der Heatpipe und der Wärmesenke zu verhindern und dabei eine erwünschte thermische Verbindung zu ermöglichen, wird das elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Material, ein sogenanntes Thermal-Interface-Material, verwendet. Dieses Material kann beispielsweise eine elektrisch isolierende Wärmeleitpaste sein, welche die Heatpipe außerdem mit der Wärmesenke mechanisch, beispielsweise stoffschlüssig, verbindet. Das Thermal-Interface-Material kann einen thermischen Kontakt zwischen Wärmequelle und Wärmesenke herstellen, durch den die Abwärme abgeführt werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmesenke eine Kühlplatte, welche zusätzlich als ein Träger für zumindest eine der elektronischen Komponenten ausgebildet ist. Die Kühlplatte kann beispielsweise fluiddurchströmt sein und zum Halten der Komponenten der Leistungselektronik, beispielsweise der Leistungsmodulchips, ausgebildet sein.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit umfasst. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet und weist den Hochvoltenergiespeicher als Traktionsbatterie auf.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 für eine hier nicht gezeigte elektrische Antriebseinheit eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs.
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Die Vorrichtung 1 weist eine leistungselektronische Baugruppe 2 auf, von welcher hier eine elektronische Komponente 3, beispielsweise ein Leistungsmodulchip, gezeigt ist. Die leistungselektronische Baugruppe 2 kann mit einem Hochvoltenergiespeicher der elektrischen Antriebseinheit gekoppelt werden und ist zur Energieumformung ausgebildet. Um die elektronische Komponente 3 mit einer weiteren elektronischen Komponente 4 zu verbinden, weist die Vorrichtung 1 ein stromführendes, elektrisches Verbindungselement 5 auf. Die weitere Komponente 4 kann eine leistungselektronikinterne und/oder eine leistungselektronikexterne Komponente der Vorrichtung 1 sein.
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Das elektrische Verbindungselement 5 ist hier teilweise durch eine Heatpipe 6 ausgebildet. Die Heatpipe 6 weist eine elektrisch leitfähige Umhüllung 7 auf, welche über ein thermisch leitfähiges, insbesondere auch elektrisch isolierendes Material 8 mit einer Wärmesenke 9 der Vorrichtung 1 gekoppelt ist. Die Wärmesenke 9 kann eine Kühleinrichtung der Vorrichtung 1 sein. Auch kann die Wärmesenke 9 eine Trägerplatte für zumindest eine der Komponenten 3, 4 sein. Die Heatpipe 6 ist dazu ausgelegt, über die elektrisch leitfähige Umhüllung 7 Strom zu führen und über ein sich in der Umhüllung 7 befindliches Arbeitsmedium Abwärme an die Wärmesenke 9 zu transportieren. Hier weist die Heatpipe 5 einen ersten Teilbereich 10 und einen zweiten Teilbereich 11 auf, wobei nur der zweite Teilbereich 11 über das elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Material 8 an die Wärmesenke 9 gekoppelt ist. Der erste Teilbereich 10 ist mit einem Leiterstück 12 elektrisch verbunden, welches hier elektrisch mit der Komponente 4 verbunden ist. Der Strom zwischen den Komponenten 3, 4 wird also über den ersten Teilbereich 10 der Heatpipe 6 und das Leiterstück 12 geleitet, während die an dem Verbindungselement 5 abfallende Wärme über den zweiten Teilbereich 11 an die Wärmesenke 9 abgeführt wird.
