DE102020124594B4

DE102020124594B4 - Pulse-controlled inverter for operating an electrical machine in a motor vehicle

Info

Publication number: DE102020124594B4
Application number: DE102020124594.7A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Barkow; Patrick Fuchs; Dorian Eppler
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-09-22
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2022-07-28
Anticipated expiration: 2040-09-23
Also published as: DE102020124594A1

Abstract

Pulswechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine (14) eines Kraftfahrzeugs aus einer Kraftfahrzeugbatterie (12), miteiner Leistungselektronik (16) zur Wandlung vom Gleichstrom in Wechselstrom,mindestens einem über elektrische Kontaktschienen (26) parallel zur Leistungselektronik (16) und der Kraftfahrzeugbatterie (12) geschalteten Zwischenkreiskondensator (18) zur Glättung von Spannungswelligkeiten und/oder Stromwelligkeiten undeiner Kühleinrichtung zur Kühlung des Zwischenkreiskondensators (18), wobei die Kühleinrichtung ein elektrisch isolierendes Kühlfluid aufweist und das Kühlfluid in direkten thermischen Kontakt mit den Kontaktschienen (26) steht dadurch gekennzeichnet, dassder Zwischenkreiskondensator (18) eine erste Elektrode (30) und eine zu der ersten Elektrode (30) beabstandete zweite Elektrode (30) aufweist, wobei die erste Elektrode (30) und/oder die zweite Elektrode (30) mit dem Kühlfluid in direkten thermischen Kontakt steht, unddie erste Elektrode (30) und die zweite Elektrode (30) innerhalb eines von dem Kühlfluid zumindest teilweise gefüllten Kühlmantel (20) frei zugänglich angeordnet sind, wobei nur das Kühlfluid und die Kontaktschienen (26) durch den Kühlmantel (20) hindurchgeführt sind.Pulse-controlled inverter for operating an electrical machine (14) of a motor vehicle from a motor vehicle battery (12), with power electronics (16) for converting direct current into alternating current, at least one via electrical contact rails (26) parallel to the power electronics (16) and the motor vehicle battery (12) switched intermediate circuit capacitor (18) for smoothing voltage ripples and/or current ripples and a cooling device for cooling the intermediate circuit capacitor (18), the cooling device having an electrically insulating cooling fluid and the cooling fluid being in direct thermal contact with the contact rails (26), characterized in that the intermediate circuit capacitor (18) has a first electrode (30) and a second electrode (30) spaced apart from the first electrode (30), the first electrode (30) and/or the second electrode (30) being in direct thermal contact with the cooling fluid , and the first electrode (30) and the second electrode (30) are arranged freely accessible within a cooling jacket (20) at least partially filled with the cooling fluid, with only the cooling fluid and the contact rails (26) being guided through the cooling jacket (20).

Description

Die Erfindung betrifft einen Pulswechselrichter, mit dessen Hilfe eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs mit Wechselstrom aus einer Gleichstrom-Kraftfahrzeugbatterie betrieben werden kann.The invention relates to a pulse-controlled inverter that can be used to operate an electric motor in a motor vehicle with alternating current from a direct-current motor vehicle battery.

Aus DE 10 2014 103 909 A1 ist es bekannt sowohl einen Kraftfahrzeugmotor als auch eine Kraftfahrzeugbatterie mit einem gemeinsamen elektrisch isolierenden Kühlfuid ohne zwischengeschalteten Wärmeleitwiderstand direkt zu kühlen, ohne dass ein elektrischer Kurzschluss zu befürchten ist.Out of DE 10 2014 103 909 A1 it is known to directly cool both a motor vehicle engine and a motor vehicle battery with a common electrically insulating cooling fluid without an intermediate thermal resistance without fear of an electrical short circuit.

Aus US 2019/0074558 A1 ist es bekannt an Batteriezellen einer Kraftfahrzeugbatterie Kondensatoren thermisch anzubinden, die bei einer langsamen Entladung die Batteriezelle kühlen können.Out of U.S. 2019/0074558 A1 it is known to thermally connect capacitors to battery cells of a motor vehicle battery, which capacitors can cool the battery cell during slow discharge.

Aus DE 10 2005 052 756 A1 ist ein Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.Out of DE 10 2005 052 756 A1 an inverter with the features of the preamble of claim 1 is known.

Aus DE 100 62 075 A1 ist ein Wechselrichter für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs und aus DE 10 2016 109 078 A1 eine Kühleinrichtung für eine Leistungselektronik eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bekannt.Out of DE 100 62 075 A1 is an inverter for an electric machine of a motor vehicle and from DE 10 2016 109 078 A1 a cooling device for power electronics of an electrically driven motor vehicle is known.

Aus DE 10 2018 125 210 A1 und JP 2008 311 252 A ist jeweils ein gekühlter Kondensator bekannt.Out of DE 10 2018 125 210 A1 and JP 2008 311 252 A a cooled condenser is known in each case.

Damit eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs aus einer Kraftfahrzeugbatterie, die Gleichstrom zur Verfügung stellt, mit Wechselstrom betrieben werden kann, wird ein Pulswechselrichter zwischengeschaltet. Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Lebensdauer eines Pulswechselrichters zu erhöhen, die insbesondere auch bei High-Performance-Anwendungen für sportliche Fahrzeuge mit einer hohen Leistungsdichte und einer guten Dauerleistungsfestigkeit gegeben sein soll.So that an electric machine of a motor vehicle can be operated with alternating current from a motor vehicle battery that makes direct current available, a pulse-controlled inverter is interposed. There is a constant need to increase the service life of a pulse-controlled inverter, which should also be the case, in particular, in high-performance applications for sporty vehicles with a high power density and good endurance.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen Pulswechselrichter mit einer hohen Lebensdauer ermöglichen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen Pulswechselrichter mit einer hohen Leistungsdichte und einer hohen Dauerleistungsfestigkeit sogar in High-Performance-Anwendungen für sportliche Fahrzeuge ermöglichen.It is the object of the invention to indicate measures that enable a pulse-controlled inverter with a long service life. In particular, the object of the invention is to identify measures that enable a pulse-controlled inverter with a high power density and a high level of continuous power stability, even in high-performance applications for sporty vehicles.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Pulswechselrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.The object is achieved according to the invention by a pulse-controlled inverter having the features of claim 1. Preferred refinements of the invention are specified in the subclaims and the following description, which can each individually or in combination represent an aspect of the invention.

Eine Ausführungsform betrifft einen Pulswechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs aus einer Kraftfahrzeugbatterie, mit einer Leistungselektronik zur Wandlung vom Gleichstrom in Wechselstrom, mindestens einem über elektrische Kontaktschienen parallel zur Leistungselektronik und der Kraftfahrzeugbatterie geschalteten Zwischenkreiskondensator zur Glättung von Spannungswelligkeiten und/oder Stromwelligkeiten und einer Kühleinrichtung zur Kühlung des Zwischenkreiskondensators, wobei die Kühleinrichtung ein elektrisch isolierendes Kühlfluid aufweist und das Kühlfluid in direkten thermischen Kontakt mit den Kontaktschienen steht.One embodiment relates to a pulse-controlled inverter for operating an electrical machine of a motor vehicle from a motor vehicle battery, with power electronics for converting direct current into alternating current, at least one intermediate circuit capacitor connected via electrical contact rails in parallel with the power electronics and the motor vehicle battery for smoothing voltage ripples and/or current ripples, and a cooling device for cooling the intermediate circuit capacitor, the cooling device having an electrically insulating cooling fluid and the cooling fluid being in direct thermal contact with the contact rails.

Der Pulswechselrichter ist dazu ausgestaltet eine von der Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung zum Betrieb der elektrischen Maschine zu konvertieren und dadurch die elektrische Maschine zu regeln. Mit Hilfe der über den Pulswechselrichter aus der Kraftfahrzeugbatterie gespeisten elektrischen Maschine kann das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden. Wenn das Kraftfahrzeug in einer bestimmten Betriebssituation elektrisch angetrieben werden soll, erhält der Pulswechselrichter ein entsprechendes Signal, um ein bestimmtes angefordertes Drehmoment elektrisch bereitzustellen. Hierzu kann der Pulswechselrichter in seiner Leistungselektronik entsprechende elektrische Spannungen einstellen, die in korrespondierende zu der elektrischen Maschine führende elektrische Ströme resultieren. Die Leistungselektronik kann, insbesondere als MOSFET ausgestaltete, Halbleiterschalter aufweisen, deren Gate zur Erzeugung der gewünschten Wechselspannung von einem Controller, insbesondere über Pulsweitenmodulation oder Space Vector Modulation, angesteuert wird. Durch den über die Kontaktschienen parallel zur Leistungselektronik geschalteten Zwischenkreiskondensator können Spannungs- und Stromwelligkeiten geglättet werden, indem der Zwischenkreiskondensator entsprechend geladen und wieder entladen wird. Durch das wiederholte Laden und Entladen des Zwischenkreiskondensators wird der Zwischenkreiskondensator, insbesondere durch joulesche Wärme, thermisch belastet. Ein an dem Zwischenkreiskondensator zu glättender Rippelstrom kann den Zwischenkreiskondensator erwärmen. Es wurde erkannt, dass die thermische Belastung des Zwischenkreiskondensators, insbesondere der Elektroden des Zwischenkreiskondensators, für die Haltbarkeit und Lebensdauer des Pulswechselrichter bestimmend sein kann, so dass der Zwischenkreiskondensator mit Hilfe der Kühleinrichtung gekühlt wird.The pulse-controlled inverter is designed to convert a DC voltage provided by the motor vehicle battery into a multi-phase AC voltage for operating the electrical machine and thereby regulate the electrical machine. The motor vehicle can be driven electrically with the aid of the electric machine fed from the motor vehicle battery via the pulse-controlled inverter. If the motor vehicle is to be driven electrically in a specific operating situation, the pulse-controlled inverter receives a corresponding signal in order to provide a specific requested torque electrically. For this purpose, the pulse-controlled inverter can set corresponding electrical voltages in its power electronics, which result in corresponding electrical currents leading to the electrical machine. The power electronics can have semiconductor switches, in particular designed as MOSFETs, whose gate is controlled by a controller, in particular via pulse width modulation or space vector modulation, in order to generate the desired AC voltage. Voltage and current ripples can be smoothed by the intermediate circuit capacitor, which is connected in parallel to the power electronics via the contact rails, by charging and discharging the intermediate circuit capacitor accordingly. As a result of the repeated charging and discharging of the intermediate circuit capacitor, the intermediate circuit capacitor is thermally stressed, in particular as a result of Joule heat. A ripple current to be smoothed at the intermediate circuit capacitor can heat up the intermediate circuit capacitor. It was recognized that the thermal load on the intermediate circuit capacitor, in particular on the electrodes of the intermediate circuit capacitor, can be decisive for the durability and service life of the pulse-controlled inverter, so that the intermediate circuit capacitor is cooled with the aid of the cooling device.

In der Regel weist der Zwischenkreiskondensator ein Kondensatorgehäuse auf, in dem die über ein Dielektrikum getrennten Elektroden eng gewickelt eingesteckt sind, so dass bei einer Kühlung der Elektroden des Zwischenkreiskondensators das Kondensatorgehäuse einen signifikanten Wärmeleitwiderstand bereitstellt. Es wurde jedoch erkannt, dass die Elektroden und die an die jeweilige Elektrode angeschlossene Kontaktschiene in der Regel aus einem metallischen Material, insbesondere Kupfer, hergestellt sind und dadurch im Vergleich zu einem aus Kunststoff hergestellten Kondensatorgehäuse einen deutlich geringeren Wärmeleitwiderstand aufweisen, so dass eine gute Kühlung des Zwischenkondensators durch eine Kühlung der Kontaktschienen erreicht werden kann. Um einen besonders hohen Wärmestrom über das Kühlfluid der Kühleinrichtung abzuführen, ist vorgesehen, dass das Kühlfluid in direktem Kontakt mit den Kontaktschienen steht, so dass ein Wärmeleitwiderstand zwischen der jeweiligen Kontaktschiene und dem Kühlfluid vermieden ist. Hierbei ist das Kühlfluid elektrisch isolierend ausgestaltet, so dass ein Kurzschluss zwischen den Kontaktschienen über das Kühlfluid vermieden ist. Ein geeignetes flüssiges Kühlfluid ist beispielsweise in WO 95/07323 A1 beschrieben, auf deren Inhalt hiermit als Teil der Erfindung Bezug genommen wird. Die Kontaktschienen können von dem Kühlfluid auf eine geringe Temperatur gekühlt werden, so dass zwischen den Elektroden des Zwischenkreiskondensator und den Kontaktschienen eine signifikante Temperaturdifferenz erreicht wird, die zu einer hinreichend hohen Kühlleistung zur Kühlung des Zwischenkreiskondensator führt, die insbesondere größer sein kann als eine ausschließlich über das Kondensatorgehäuse vorgesehene Kühlung.As a rule, the intermediate circuit capacitor has a capacitor housing in which the electrodes, which are separated by a dielectric, are closely ckelt are plugged in, so that when the electrodes of the intermediate circuit capacitor are cooled, the capacitor housing provides a significant thermal resistance. However, it was recognized that the electrodes and the contact bar connected to the respective electrode are usually made of a metallic material, in particular copper, and therefore have a significantly lower thermal resistance compared to a capacitor housing made of plastic, so that good cooling of the intermediate capacitor can be achieved by cooling the contact rails. In order to dissipate a particularly high flow of heat via the cooling fluid of the cooling device, it is provided that the cooling fluid is in direct contact with the contact rails, so that thermal resistance between the respective contact rail and the cooling fluid is avoided. In this case, the cooling fluid is designed to be electrically insulating, so that a short circuit between the contact rails via the cooling fluid is avoided. A suitable liquid cooling fluid is, for example, in WO 95/07323 A1 described, the content of which is hereby incorporated by reference as part of the invention. The contact rails can be cooled to a low temperature by the cooling fluid, so that a significant temperature difference is reached between the electrodes of the intermediate circuit capacitor and the contact rails, which leads to a sufficiently high cooling capacity for cooling the intermediate circuit capacitor, which in particular can be greater than a purely via cooling provided by the capacitor housing.

Durch die mit Hilfe des elektrisch isolierenden, insbesondere als Dielektrikum wirkende, Kühlfluid erreichte deutlich optimierte thermische Anbindung und/oder Entwärmung kann auch die Leistungsdichte sowie die Dauerleistungsfestigkeit des Pulswechselrichter verbessert werden. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass der Zwischenkreiskondensator für die Performance des Pulswechselrichter limitierend sein kann, so dass über die gesteigerte Leistungsdichte des mit dem Kühlfluid gekühlten Zwischenkreiskondensators die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems gesteigert und verbessert werden kann. Der so ausgestaltete Pulswechselrichter eignet sich dadurch insbesondere für High-Performance-Anwendungen, beispielsweise für Sportwagen oder Rennfahrzeuge. Durch die direkte Kühlung der mit dem Zwischenkreiskondensator elektrisch und thermisch verbundenen Kontaktschienen mit dem elektrisch isolierenden Kühlfluid kann eine gute Kühlleistung ohne die Gefahr eines Kurzschlusses erreicht werden, so dass ein Pulswechselrichter mit einer hohen Lebensdauer, einer hohen Leistungsdichte und einer hohen Dauerleistungsfestigkeit sogar in High-Performance-Anwendungen für sportliche Fahrzeuge ermöglicht ist.The significantly optimized thermal connection and/or heat dissipation achieved with the aid of the electrically insulating cooling fluid, in particular acting as a dielectric, can also improve the power density and the continuous power stability of the pulse-controlled inverter. This exploits the knowledge that the intermediate circuit capacitor can be limiting for the performance of the pulse-controlled inverter, so that the performance of the entire system can be increased and improved via the increased power density of the intermediate circuit capacitor cooled with the cooling fluid. The pulse-controlled inverter configured in this way is therefore particularly suitable for high-performance applications, for example for sports cars or racing vehicles. The direct cooling of the contact rails, which are electrically and thermally connected to the intermediate circuit capacitor, with the electrically insulating cooling fluid, means that a good cooling performance can be achieved without the risk of a short circuit, so that a pulse-controlled inverter with a long service life, a high power density and a high level of continuous power stability even in high- performance applications for sporty vehicles is possible.

Die Kühleinrichtung ist hierbei insbesondere als Flüssigkeitskühlung ausgestaltet. Die Kühleinrichtung kann einen mit einem Zulauf und einen Ablauf für das Kühlfluid versehenen Kühlmantel aufweisen, wobei insbesondere ein Teil der Kontaktschienen einen Teil der Wandung des Kühlmantels ausbilden und/oder fluiddicht durch die Wandung des Kühlmantels in das Innere des Kühlmantels hindurchgeführt sind. Durch eine geeignete Abdichtung kann eine Leckage von Kühlfluid an den Kontaktschienen und/oder an den mit den Kontaktschienen verbundenen Leitern vermieden werden. Insbesondere weist die Kühleinrichtung ein beispielsweise als Pumpe ausgestaltete Förderelement auf, mit dessen Hilfe das Kühlfluid an den Kontaktschienen entlang bewegt werden kann und eine konvektive Wärmeabfuhr ermöglicht. Vorzugsweise ist das Förderelement, insbesondere durch Gleichstrom, elektrisch antreibbar und kann von der Kraftfahrzeugbatterie ohne den zwischengeschalteten Pulswechselrichter angetrieben werden. Das erwärmte Kühlfluid kann insbesondere zu einem Kühler, beispielsweise ein luftgekühlter Frontkühler des Kraftfahrzeugs, gefördert werden, um das von dem Zwischenkreiskondensator erwärmte Kühlfluid wieder abzukühlen und die aufgenommene Wärmemenge an die Umgebung abzuführen.In this case, the cooling device is designed in particular as a liquid cooling system. The cooling device can have a cooling jacket provided with an inlet and an outlet for the cooling fluid, with part of the contact rails in particular forming part of the wall of the cooling jacket and/or being passed through the wall of the cooling jacket into the interior of the cooling jacket in a fluid-tight manner. Leakage of cooling fluid at the contact rails and/or at the conductors connected to the contact rails can be avoided by means of a suitable seal. In particular, the cooling device has a conveying element designed, for example, as a pump, with the aid of which the cooling fluid can be moved along the contact rails and enables convective heat dissipation. The conveying element can preferably be driven electrically, in particular by direct current, and can be driven by the motor vehicle battery without the interposed pulse-controlled inverter. The heated cooling fluid can in particular be conveyed to a radiator, for example an air-cooled front radiator of the motor vehicle, in order to cool the cooling fluid heated by the intermediate circuit capacitor again and to dissipate the amount of heat absorbed to the environment.

Der Zwischenkreiskondensator weist eine erste Elektrode und eine zu der ersten Elektrode beabstandete zweite Elektrode auf, wobei die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode mit dem Kühlfluid in direkten thermischen Kontakt steht. In dieser Ausführungsform ist beim Zwischenkreiskondensator das Kondensatorgehäuse eingespart, so dass der Zwischenkreiskondensator gehäuselos ausgeführt ist. Der Wärmewiderstand des Kondensatorgehäuse ist dadurch vermieden, so dass die Kühlung des Zwischenkreiskondensators weiter verbessert ist. Die mechanische Stabilität des gehäuselosen Zwischenkreiskondensators kann beispielsweise dadurch sichergestellt werden, dass die Elektroden aufgerollt sind und von einer Klammer zusammengehalten sind. Hierbei sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode, insbesondere von mehreren Zwischenkreiskondensatoren, innerhalb eines von dem Kühlfluid zumindest teilweise gefüllten Kühlmantel frei zugänglich angeordnet, wobei nur das Kühlfluid und die Kontaktschienen durch den Kühlmantel hindurchgeführt sind. Dadurch kann der Kühlmantel ein Kondensatorgehäuse für die Elektroden ausbilden, wobei zwischen der Wandung des als Kondensatorgehäuse wirkenden Kühlmantels und den Elektroden ein Zwischenraum ausgebildet ist, der zu Kühlungszwecken von dem Kühlfluid durchströmt ist. Der beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellte Kühlmantel kann die Elektroden des Zwischenkreiskondensators vor mechanischen Lasten schützen und/oder elektrisch gegenüber der Umgebung isolieren.The intermediate circuit capacitor has a first electrode and a second electrode spaced apart from the first electrode, the first electrode and/or the second electrode being in direct thermal contact with the cooling fluid. In this embodiment, the capacitor housing is omitted in the intermediate circuit capacitor, so that the intermediate circuit capacitor is designed without a housing. The thermal resistance of the capacitor housing is thereby avoided, so that the cooling of the intermediate circuit capacitor is further improved. The mechanical stability of the caseless intermediate circuit capacitor can be ensured, for example, by the electrodes being rolled up and held together by a clamp. Here, the first electrode and the second electrode, in particular of several intermediate circuit capacitors, are arranged freely accessible within a cooling jacket at least partially filled with the cooling fluid, with only the cooling fluid and the contact rails being guided through the cooling jacket. As a result, the cooling jacket can form a capacitor housing for the electrodes, with an intermediate space being formed between the wall of the cooling jacket acting as a capacitor housing and the electrodes, through which the cooling fluid flows for cooling purposes. The cooling jacket made of a plastic material, for example can protect the electrodes of the intermediate circuit capacitor from mechanical loads and/or electrically insulate them from the environment.

Insbesondere weist der Zwischenkreiskondensator an den Kontaktschienen angeschlossene Kontaktpole auf, wobei die Kontaktpole zumindest teilweise in direkten thermischen Kontakt mit dem Kühlfluid stehen. Dadurch können nicht nur die Kontaktschienen, sondern auch die von dem übrigen Zwischenkreiskondensator, insbesondere axial, abstehenden Kontaktpole von dem Kühlfluid direkt gekühlt werden. Die Wärmeübertragungsfläche zur Abfuhr der in dem Zwischenkreiskondensator entstehenden Wärme kann dadurch weiter erhöht werden. Zudem ist es möglich, dass das Kühlfluid den Kontaktschienen und/oder die Kontaktpole über den gesamten Umfang umspülen kann, wodurch der konvektive Wärmeübergang verbessert ist.In particular, the intermediate circuit capacitor has contact poles connected to the contact rails, the contact poles being at least partially in direct thermal contact with the cooling fluid. As a result, not only the contact rails, but also the contact poles protruding from the rest of the intermediate circuit capacitor, in particular axially, can be cooled directly by the cooling fluid. The heat transfer surface for dissipating the heat generated in the intermediate circuit capacitor can be further increased as a result. In addition, it is possible for the cooling fluid to flow around the contact rails and/or the contact poles over the entire circumference, as a result of which the convective heat transfer is improved.

Vorzugsweise sind mehrere zueinander parallel geschaltete Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen, wobei die mehreren Zwischenkreiskondensatoren von dem gleichen Kühlfluid gekühlt sind. Durch die mehreren Zwischenkreiskondensatoren kann der für die mit Hilfe der mehreren Zwischenkreiskondensatoren installierten Kapazität auftretende innere Widerstand („Ersatzserienwiderstand ESR“) gering gehalten werden, wodurch eine Erwärmung des jeweiligen Zwischenkreiskondensator reduziert werden kann. Zudem braucht die Kühleinrichtung dadurch nur einen gemeinsamen Kühlmantel, um die mehreren, insbesondere sämtlichen, Zwischenkreiskondensatoren zumindest über die direkt gekühlten gemeinsamen Kontaktschienen zu kühlen. Bei einem geringen konstruktiven Aufwand kann eine zu starke Erwärmung des Zwischenkreiskondensators vermieden werden.A plurality of intermediate circuit capacitors connected in parallel with one another are preferably provided, with the plurality of intermediate circuit capacitors being cooled by the same cooling fluid. Due to the multiple intermediate circuit capacitors, the internal resistance occurring for the capacitance ("equivalent series resistance ESR") that occurs with the help of the multiple intermediate circuit capacitors can be kept low, as a result of which heating of the respective intermediate circuit capacitor can be reduced. In addition, as a result, the cooling device only needs a common cooling jacket in order to cool the plurality of, in particular all, intermediate circuit capacitors at least via the directly cooled common contact rails. Excessive heating of the intermediate circuit capacitor can be avoided with a low design effort.

In einer nicht beanspruchten Alternative weist der Zwischenkreiskondensator eine erste Elektrode und eine zu der ersten Elektrode beabstandete zweite Elektrode auf, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode fluiddicht in einem Kondensatorgehäuse eingeschlossen sind, wobei das Kondensatorgehäuse in direkten thermischen Kontakt mit dem Kühlfluid steht. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können über ein Dielektrikum voneinander elektrisch getrennt sein und vorzugsweise aufgerollt ausgeführt sein. Der gesamte Zwischenkreiskondensator kann in dem Kühlmantel der Kühleinrichtung eingetaucht und von dem Kühlfluid umströmt sein, so dass auch über das, insbesondere aus einem Kunststoff herstellte, Kondensatorgehäuse eine Wärmeabfuhr an das Kühlfluid erfolgen kann, wodurch die Kühlleistung weiter verbessert werden kann. Aufgrund der über die Kontaktschienen und ggf. der Kontaktpole bereits erreichte Kühlleistung kann der Wärmeleitwiderstand des Kondensatorgehäuses für die indirekte Kühlung der Elektroden über das Kondensatorgehäuse hinweg zugelassen werden, um eine ausreichende Kühlung des Zwischenkreiskondensators zu erreichen.In an alternative that is not claimed, the intermediate circuit capacitor has a first electrode and a second electrode spaced apart from the first electrode, the first electrode and the second electrode being enclosed in a fluid-tight manner in a capacitor housing, with the capacitor housing being in direct thermal contact with the cooling fluid. The first electrode and the second electrode can be electrically isolated from one another via a dielectric and can preferably be rolled up. The entire intermediate circuit capacitor can be immersed in the cooling jacket of the cooling device and the cooling fluid can flow around it, so that heat can also be dissipated to the cooling fluid via the capacitor housing, which is in particular made of plastic, which means that the cooling capacity can be further improved. Due to the cooling capacity already achieved via the contact rails and possibly the contact poles, the thermal resistance of the capacitor housing can be allowed for the indirect cooling of the electrodes via the capacitor housing in order to achieve sufficient cooling of the intermediate circuit capacitor.

In einer nicht beanspruchten Alternative weist der Zwischenkreiskondensator eine erste Elektrode und eine zu der ersten Elektrode beabstandete zweite Elektrode auf, wobei ein mit dem Kühlfluid gefüllter separat ausgeführter Kühlkanal thermisch zumindest an einem Teil der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode anliegt. Der Kühlkanal kann in das Innere des Zwischenkreiskondensators, insbesondere in ein von einem Kondensatorgehäuse begrenztes Volumen, hineinragen. Die Kühlung des Zwischenkreiskondensators ist dadurch weiter verbessert. Vorzugsweise verläuft der Kühlkanal in axialer Richtung durch den gesamten Zwischenkreiskondensator hindurch, so dass der Kühlkanal durch mehrere koaxial hintereinander angeordnete Zwischenkreiskondensatoren hindurchgeführt sein kann.In a non-claimed alternative, the intermediate circuit capacitor has a first electrode and a second electrode spaced apart from the first electrode, with a separately implemented cooling channel filled with the cooling fluid thermally abutting at least part of the first electrode and/or the second electrode. The cooling duct can protrude into the interior of the intermediate circuit capacitor, in particular into a volume delimited by a capacitor housing. This further improves the cooling of the intermediate circuit capacitor. The cooling channel preferably runs in the axial direction through the entire intermediate circuit capacitor, so that the cooling channel can be routed through a plurality of intermediate circuit capacitors arranged coaxially one behind the other.

In einer nicht beanspruchten Alternative ist der Kühlkanal in einer, insbesondere im Wesentlichen zylindrischen, Hülse ausgebildet, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode um die Hülse gewickelt sind. Der separate Kühlkanal kann zentrisch in den Zwischenkreiskondensator eingesteckt sein und einen Kern bilden, um den die Elektroden herumgewickelt sind. Dies ermöglicht auch eine Kühlung des Zwischenkreiskondensators von radial innen her, wo ansonsten die höchste Betriebstemperatur des Zwischenkreiskondensators zu erwarten wäre. Die Kühlung des Zwischenkreiskondensators ist dadurch weiter verbessert.In an alternative that is not claimed, the cooling channel is formed in a sleeve, in particular a substantially cylindrical sleeve, with the first electrode and the second electrode being wound around the sleeve. The separate cooling channel can be plugged into the center of the intermediate circuit capacitor and form a core around which the electrodes are wound. This also enables the intermediate circuit capacitor to be cooled from radially inside, where the highest operating temperature of the intermediate circuit capacitor would otherwise be expected. This further improves the cooling of the intermediate circuit capacitor.

Vorzugsweise weist der Zwischenkreiskondensator und/oder die Kontaktschienen mindestens eine Erhebung zur Erhöhung einer thermischen Kontaktfläche mit dem Kühlfluid auf. Die Oberfläche des Zwischenkreiskondensators und/oder der Kontaktschienen ist dadurch nicht minimiert, sondern bewusst erhöht, wodurch die Wärmekontaktfläche erhöht und damit auch die Kühlleistung erhöht ist. Die Erhebungen können beispielsweise als abstehende Pins und/oder Warzen und/oder Kühlrippen, insbesondere als „Pin Fins“, ausgestaltet sein.The intermediate circuit capacitor and/or the contact rails preferably have at least one elevation for increasing a thermal contact area with the cooling fluid. The surface area of the intermediate circuit capacitor and/or the contact rails is not minimized as a result, but deliberately increased, as a result of which the thermal contact area is increased and the cooling capacity is therefore also increased. The elevations can be designed, for example, as protruding pins and/or warts and/or cooling ribs, in particular as “pin fins”.

Besonders bevorzugt ist ein die Leistungselektronik, den Zwischenkondensator und zumindest teilweise die Kühleinrichtung aufnehmendes Umrichtergehäuse vorgesehen, wobei ein an einer Innenseite des Umrichtergehäuses anliegendes und an dem Zwischenkreiskondensator thermisch angekoppeltes Wärmeleitpad zur thermischen Abfuhr von Wärme aus dem Zwischenkreiskondensator vorgesehen ist. Das Umrichtergehäuse kann insbesondere an einer von dem Wärmeleitpad wegweisenden Außenseite aktiv oder passiv gekühlt sein, wodurch die Wärmeabfuhr des Pulswechselrichter und insbesondere des Zwischenkreiskondensators verbessert ist. Durch das Wärmeleitpad kann auch ein kühlender Wärmestrom von dem Zwischenkondensator an das Umrichtergehäuse vorgesehen werden, der von einer zur Kühlung des Pulswechselrichter über das Umrichtergehäuse sowieso vorgesehenen Kühlung abgeführt werden kann. Die Kühlleistung zur Kühlung des Zwischenkreiskondensators kann dadurch weiter verbessert werden.A converter housing accommodating the power electronics, the intermediate capacitor and at least partially the cooling device is particularly preferably provided, with a thermally conductive pad lying against an inside of the converter housing and thermally coupled to the intermediate circuit capacitor being provided for thermally dissipating heat from the intermediate circuit capacitor. The converter housing can be actively or passively cooled in particular on an outside pointing away from the thermally conductive pad, whereby the heat dissipation of the pulse-controlled inverter and esp special of the intermediate circuit capacitor is improved. The thermally conductive pad can also provide a cooling flow of heat from the intermediate capacitor to the converter housing, which can be dissipated by a cooling system that is provided anyway for cooling the pulse-controlled inverter via the converter housing. The cooling capacity for cooling the intermediate circuit capacitor can be further improved as a result.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

1: ein schematisches Blockschaltbild für einen Pulswechselrichter in einem Kraftfahrzeug nach dem Stand der Technik,
2: eine schematische geschnittene Seitenansicht einer ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform eines gekühlten Zwischenkreiskondensators des Pulswechselrichter aus 1,
3: eine schematische geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines gekühlten Zwischenkreiskondensators des Pulswechselrichter aus 1,
4: eine schematische geschnittene Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines gekühlten Zwischenkreiskondensators des Pulswechselrichter aus 1 und
5: eine schematische geschnittene Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines gekühlten Zwischenkreiskondensators des Pulswechselrichter aus 1.

In the following, the invention is explained by way of example with reference to the attached drawings using preferred exemplary embodiments, it being possible for the features presented below to represent an aspect of the invention both individually and in combination. Show it:

1 : a schematic block diagram for a pulse-controlled inverter in a motor vehicle according to the prior art,
2 1 shows a schematic sectional side view of a first specific embodiment, not according to the invention, of a cooled intermediate circuit capacitor of the pulse-controlled inverter 1 ,
3 1 shows a schematic sectional side view of a second embodiment of a cooled intermediate circuit capacitor of the pulse-controlled inverter 1 ,
4 1 shows a schematic sectional side view of a third embodiment of a cooled intermediate circuit capacitor of the pulse-controlled inverter 1 and
5 1 shows a schematic sectional side view of a fourth embodiment of a cooled intermediate circuit capacitor of the pulse-controlled inverter 1 .

Der in 1 in einem Blockschaltbild schematisch dargestellte Pulswechselrichter 10 ist an einer Kraftfahrzeugbatterie 12 eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs angeschlossen und kann den von der Kraftfahrzeugbatterie 12 bereitgestellten Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom zum Betrieb einer zum Antrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehene elektrische Maschine 14 wandeln. Hierzu weist der Pulswechselrichter 10 eine von einem Controller gesteuerte Leistungselektronik 16 auf, zu der ein Zwischenkreiskondensator 18 zur Glättung von Spannungswelligkeiten und/oder Stromwelligkeiten parallel geschaltet ist. Insbesondere sind mehrere parallel geschaltete Zwischenkreiskondensatoren 18 vorgesehen, die von einer Kühleinrichtung gekühlt werden können.the inside 1 The pulse-controlled inverter 10 shown schematically in a block diagram is connected to a motor vehicle battery 12 of an electrically drivable motor vehicle and can convert the direct current provided by the motor vehicle battery 12 into a three-phase alternating current for operating an electric machine 14 provided to drive the motor vehicle. For this purpose, the pulse-controlled inverter 10 has power electronics 16 controlled by a controller, to which an intermediate circuit capacitor 18 is connected in parallel for smoothing voltage ripples and/or current ripples. In particular, a plurality of intermediate circuit capacitors 18 connected in parallel are provided, which can be cooled by a cooling device.

Wie in 2 dargestellt ist, weist die Kühleinrichtung einen Kühlmantel 20 auf, der über einen Zulauf 22 mit einem flüssigen und elektrisch nicht leitenden Kühlfluid gefüllt werden kann, wobei das Kühlfluid über einen Ablauf 24 wieder ablaufen kann. In der in 2 dargestellten Ausführungsform des Zwischenkreiskondensators 18 sind zu dem jeweiligen Zwischenkreiskondensator 18 führende Kontaktschienen 26 innerhalb des Kühlmantels 20 angeordnet und zu Kühlungszwecken von dem Kühlfluid umspült. Zusätzlich weist der jeweilige Zwischenkreiskondensator 18 mit den Kontaktschienen 26 verbundene Kontaktpole 28 auf, die durch den Kühlmantel 20 hindurchgeführt sind und dadurch zu einem Teil ebenfalls innerhalb des Kühlmantels 20 zu Kühlungszwecken von dem Kühlfluid umspült sind. An den Kontaktpolen 26 angeschlossene Elektroden 30 sowie ein die Elektroden 30 zusammenhaltendes Kondensatorgehäuse 32 des jeweiligen Zwischenkreiskondensators 18 sind außerhalb des Kühlmantels 20 vorgesehen.As in 2 is shown, the cooling device has a cooling jacket 20 which can be filled with a liquid and electrically non-conductive cooling fluid via an inlet 22 , the cooling fluid being able to drain off again via an outlet 24 . in the in 2 In the illustrated embodiment of the intermediate circuit capacitor 18, contact rails 26 leading to the respective intermediate circuit capacitor 18 are arranged within the cooling jacket 20 and flushed with the cooling fluid for cooling purposes. In addition, the respective intermediate circuit capacitor 18 has contact poles 28 connected to the contact rails 26, which are passed through the cooling jacket 20 and are therefore also partially surrounded by the cooling fluid inside the cooling jacket 20 for cooling purposes. Electrodes 30 connected to the contact poles 26 and a capacitor housing 32 of the respective intermediate circuit capacitor 18 holding the electrodes 30 together are provided outside the cooling jacket 20 .

In der in 3 dargestellten Ausführungsform des Zwischenkreiskondensators 18 ist im Vergleich zu der in 2 dargestellten Ausführungsform des Zwischenkreiskondensators 18 jeweils der gesamte Zwischenkreiskondensator 18 innerhalb des Kühlmantels 20 vorgesehen, so dass auch das Kondensatorgehäuse 32 zu Kühlungszwecken von dem Kühlfluid umspült werden kann.in the in 3 The illustrated embodiment of the intermediate circuit capacitor 18 is compared to that in 2 In the illustrated embodiment of the intermediate circuit capacitor 18, the entire intermediate circuit capacitor 18 is provided inside the cooling jacket 20, so that the cooling fluid can also flow around the capacitor housing 32 for cooling purposes.

In der in 4 dargestellten Ausführungsform des Zwischenkreiskondensators 18 ist im Vergleich zu der in 3 dargestellten Ausführungsform des Zwischenkreiskondensators 18 ein separater Kühlkanal 34 in den Zwischenkreiskondensator 18 eingesteckt. Der Kühlkanal 34 kann insbesondere als zylindrische Hülse ausgestaltet sein, die zentral in den Zwischenkreiskondensator 18 eingesteckt ist und um den die Elektroden 30 gewickelt sind. Vorzugsweise verläuft der Kühlkanal 34 in axialer Richtung durch den gesamten Zwischenkreiskondensator 18 hindurch, so dass der Kühlkanal 34 durch mehrere koaxial hintereinander angeordnete Zwischenkreiskondensatoren 18 hindurchgeführt sein kann. Der Kühlkanal 34 kann beispielsweise an seinen axialen Enden geöffnet ausgeführt sein und mit dem Innenraum des Kühlmantels 20 kommunizieren.in the in 4 The illustrated embodiment of the intermediate circuit capacitor 18 is compared to that in 3 illustrated embodiment of the intermediate circuit capacitor 18, a separate cooling channel 34 is inserted into the intermediate circuit capacitor 18. The cooling channel 34 can in particular be designed as a cylindrical sleeve which is inserted centrally into the intermediate circuit capacitor 18 and around which the electrodes 30 are wound. The cooling channel 34 preferably runs in the axial direction through the entire intermediate circuit capacitor 18, so that the cooling channel 34 can be guided through a plurality of intermediate circuit capacitors 18 arranged coaxially one behind the other. The cooling channel 34 can, for example, be open at its axial ends and can communicate with the interior of the cooling jacket 20 .

In der in 5 dargestellten Ausführungsform des Zwischenkreiskondensators 18 ist im Vergleich zu der in 3 dargestellten Ausführungsform des Zwischenkreiskondensators 18 das Kondensatorgehäuse 32 der jeweiligen Zwischenkreiskondensatoren 18 weggelassen, so dass das Kühlfluid zu Kühlungszwecken in direktem Kontakt mit den Elektroden 30 des Zwischenkreiskondensators 18 stehen kann. Die Zwischenkreiskondensatoren 18 sind dadurch gehäuselos ausgestaltet.in the in 5 The illustrated embodiment of the intermediate circuit capacitor 18 is compared to that in 3 In the illustrated embodiment of the intermediate circuit capacitor 18, the capacitor housing 32 of the respective intermediate circuit capacitors 18 is omitted, so that the cooling fluid can be in direct contact with the electrodes 30 of the intermediate circuit capacitor 18 for cooling purposes. The intermediate circuit capacitors 18 are therefore designed without a housing.

Claims

Pulse-controlled inverter for operating an electrical machine (14) of a motor vehicle from a motor vehicle battery (12), with power electronics (16) for converting direct current into alternating current, at least one via electrical contact rails (26) parallel to the power electronics (16) and the motor vehicle battery (12 ) switched intermediate circuit capacitor (18) for smoothing voltage ripples and/or current ripples and a cooling device for cooling the intermediate circuit capacitor (18), the cooling device having an electrically insulating cooling fluid and the cooling fluid being in direct thermal contact with the contact rails (26), characterized in that that the intermediate circuit capacitor (18) has a first electrode (30) and a second electrode (30) spaced apart from the first electrode (30), the first electrode (30) and/or the second electrode (30) having the cooling fluid in direct thermal contact is, and the first electrode (30) un d the second electrode (30) is arranged freely accessible within a cooling jacket (20) at least partially filled with the cooling fluid, with only the cooling fluid and the contact rails (26) being guided through the cooling jacket (20).

Pulse inverter after claim 1 characterized in that the intermediate circuit capacitor (18) has contact poles (28) connected to the contact rails (26), the contact poles (28) being at least partially in direct thermal contact with the cooling fluid.

Pulse inverter after claim 1 or 2 characterized in that a plurality of intermediate circuit capacitors (18) connected in parallel are provided, the plurality of intermediate circuit capacitors (18) being cooled by the same cooling fluid.

Pulse-controlled inverter according to one of Claims 1 until 3 characterized in that the first electrode (30) and the second electrode (30) of a plurality of intermediate circuit capacitors (18) are arranged in a freely accessible manner within the cooling jacket (20) which is at least partially filled with the cooling fluid.

Pulse-controlled inverter according to one of Claims 1 until 4 characterized in that the intermediate circuit capacitor (18) and/or the contact bars (26) has at least one elevation for increasing a thermal contact area with the cooling fluid.

Pulse-controlled inverter according to one of Claims 1 until 4 characterized in that a converter housing accommodating the power electronics (16), the intermediate capacitor (18) and at least partially the cooling device is provided, with a thermally conductive pad lying against an inside of the converter housing and thermally coupled to the intermediate circuit capacitor (18) for the thermal dissipation of heat the intermediate circuit capacitor (18) is provided.