DE102020126771A1 - Power electronics device and motor vehicle with a power electronics device - Google Patents

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Daniel Ruppert
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    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
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    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikvorrichtung (12) mit zumindest einer Leistungskomponente (14), einer Kühleinrichtung (16) und einem Entladewiderstand (18), wobei die Leistungskomponente (14) zur Kühlung an die Kühleinrichtung (16) angebracht ist, wobei der Entladewiderstand (18) dazu ausgebildet ist, die Leistungskomponente (14) durch Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme zu entladen und wobei der Entladewiderstand (18) außerhalb der Leistungskomponente (14) an der Kühleinrichtung (16) angeordnet ist.The invention relates to a power electronics device (12) having at least one power component (14), a cooling device (16) and a discharge resistor (18), the power component (14) being attached to the cooling device (16) for cooling, the discharge resistor (18 ) is designed to discharge the power component (14) by converting electrical energy into heat and wherein the discharge resistor (18) is arranged outside of the power component (14) on the cooling device (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikvorrichtung mit zumindest einer Leistungskomponente, einer Kühleinrichtung und einem Entladewiderstand, wobei die Leistungskomponente zur Kühlung an die Kühleinrichtung angebracht ist und wobei der Entladewiderstand dazu ausgebildet ist, die Leistungskomponente durch Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme zu entladen. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Leistungselektronikvorrichtung.The invention relates to a power electronics device having at least one power component, a cooling device and a discharge resistor, the power component being attached to the cooling device for cooling and the discharge resistor being designed to discharge the power component by converting electrical energy into heat. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with such a power electronics device.

Eine Leistungselektronikvorrichtung, die zumindest eine Leistungskomponente aufweist, ist vorzugsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen an einem fahrzeugseitigen Hochvoltbordnetz angebunden, wobei eine Leistungskomponente beispielsweise einen Antriebsumrichter, einen Hochvolt-DC/DC-Wandler, ein Onboard-Ladegerät, einen elektrischen Klimakompressor und/oder einen elektrischen Heizer umfassen kann. Bei aktuellen Elektrofahrzeugen liegt eine Hochvoltspannung, mit der die Leistungselektronikvorrichtung gekoppelt ist, in einem Bereich zwischen 350 V bis 860 VDC. Aus Gründen der Gebrauchssicherheit sowie der funktionalen Sicherheit ist für jede Leistungskomponente, die einen Hochvolt-Zwischenkreiskondensator oder EMV X-Kondensator aufweisen kann, eine Schaltung zur aktiven Entladung vorgesehen.A power electronics device, which has at least one power component, is preferably connected in hybrid and electric vehicles to a vehicle-side high-voltage electrical system, with a power component, for example, a drive converter, a high-voltage DC/DC converter, an onboard charger, an electric air-conditioning compressor and/or a may include electric heaters. In current electric vehicles, a high voltage to which the power electronics device is coupled is in a range between 350 V to 860 V DC . For reasons of operational safety and functional safety, a circuit for active discharge is provided for each power component that can have a high-voltage intermediate circuit capacitor or an EMC X capacitor.

Diese Entladeschaltung umfasst in der Regel ein Halbleiterschaltelement (MOSFET oder IGBT) und eine ohmsche Last, das heißt einen Entladewiderstand, über welchen die elektrische Energie beim Entladen in Wärme umgewandelt werden kann. Hierbei gibt es für die aktive Entladung vorgeschriebene Entladezeiten sowie vorgeschriebene Mindestspannungsniveaus.This discharge circuit generally includes a semiconductor switching element (MOSFET or IGBT) and an ohmic load, ie a discharge resistor, via which the electrical energy can be converted into heat during discharge. There are prescribed discharge times and prescribed minimum voltage levels for active discharge.

Üblicherweise wird die Entladeschaltung, insbesondere der Entladewiderstand, mit diskreten Bauelementen auf herkömmlichen Leiterplatten realisiert. Eine Kühlung des Entladewiderstands erfolgt hierbei durch freie Konvektion an Luft mit der Umgebungstemperatur im Inneren der Leistungskomponente. Aus Sicht der funktionalen Sicherheit muss ebenfalls gewährleistet werden, dass die aktive Entladung mehrfach direkt hintereinander die Energie in Wärme umwandelt, was zusätzlich hohe Anforderungen an eine Robustheit und Lebensdauer mit sich bringt. Dadurch resultieren sehr hohe Anforderungen an die thermische Auslegung der Schaltung, im Speziellen an den Entladewiderstand. Im schlechtesten Fall sind aufgrund der hohen Verlustleistung sogar mehrere Entladewiderstände notwendig.The discharge circuit, in particular the discharge resistor, is usually implemented using discrete components on conventional printed circuit boards. In this case, the discharge resistor is cooled by free convection in air at the ambient temperature inside the power component. From the point of view of functional safety, it must also be ensured that the active discharge converts the energy into heat several times in quick succession, which also places high demands on robustness and service life. This results in very high demands on the thermal design of the circuit, especially on the discharge resistor. In the worst case, several discharge resistors are even necessary due to the high power loss.

Das führt zu dem Nachteil, dass ein hoher Kostenaufwand für Materialkosten, insbesondere hohe Material- und Herstellungskosten der Entladewiderstände, hohe Kosten für Aufbau und Verbindungstechnik/Anbindung der Entladewiderstände, eine Überdimensionierung der Entladeschaltung aufgrund von schlechter Kühlanbindung, einen zusätzlichen Bauraum beziehungsweise eine zusätzliche Fläche auf der Leiterplatte sowie eine zusätzliche Temperaturmessung zur Überwachung der Entladewiderstände bereitgestellt werden müssen. Des Weiteren ergeben sich hohe Entwicklungskosten und Entwicklungsaufwände, insbesondere aufgrund eines hohen Integrationsaufwands der Entladewiderstände auf der Leiterplatte oder innerhalb der Leistungskomponente, eine aufwändige Auslegung der Entladeschaltung mit entsprechender thermischer Masse, sowie zusätzlicher Filter und Entstörmaßnahmen für die Temperaturmessung. Ein weiterer Nachteil ist eine schlechtere Robustheit der Entladeschaltung/Entladewiderstände, insbesondere ein Wärmeeintrag durch aktive Entladung in der Leistungskomponente beziehungsweise der Leiterplatte der Leistungskomponente und eine Lebensdauereinschränkung durch die thermische Belastung der Entladeschaltung und des Entladewiderstands.This leads to the disadvantage that high costs for material costs, in particular high material and production costs of the discharge resistors, high costs for structure and connection technology/connection of the discharge resistors, overdimensioning of the discharge circuit due to poor cooling connection, an additional installation space or an additional area of the printed circuit board and an additional temperature measurement to monitor the discharge resistances must be provided. Furthermore, there are high development costs and development efforts, in particular due to the high effort involved in integrating the discharge resistors on the printed circuit board or within the power component, a complex design of the discharge circuit with a corresponding thermal mass, and additional filters and interference suppression measures for the temperature measurement. Another disadvantage is poorer robustness of the discharge circuit/discharge resistors, in particular a heat input due to active discharge in the power component or the printed circuit board of the power component and a lifespan limitation due to the thermal stress on the discharge circuit and the discharge resistor.

Aus der DE 10 2008 061 585 A1 ist ein Fahrzeug mit einer Versorgungseinrichtung für einen Elektromotor und ein Verfahren zur Stromversorgung des Elektromotors bekannt. Des Weiteren ist eine Zwischenspeichervorrichtung mit einem Zwischenspeichermodul bekannt, das eine integrale Entladevorrichtung aufweist, wobei die Entladevorrichtung beim Entladen der Zwischenspeichervorrichtung die gespeicherte elektrische Energie in Wärme umsetzt.From the DE 10 2008 061 585 A1 a vehicle with a supply device for an electric motor and a method for supplying power to the electric motor is known. Furthermore, an intermediate storage device with an intermediate storage module is known, which has an integral discharge device, wherein the discharge device converts the stored electrical energy into heat when discharging the intermediate storage device.

Aus der DE 10 2009 041 005 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Symmetrisierung eines Energiespeichers bekannt. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Entladewiderstand einer jeweiligen Symmetrieschaltung eine temperaturabhängige Widerstandscharakteristik aufweist und die Entladewiderstände zumindest einiger der Symmetrieschaltungen thermisch miteinander gekoppelt sind.From the DE 10 2009 041 005 A1 a generic device for balancing an energy store is known. The device is characterized in that a discharge resistor of a respective symmetry circuit has a temperature-dependent resistance characteristic and the discharge resistors of at least some of the symmetry circuits are thermally coupled to one another.

Aus der DE 10 2015 014 172 A1 sind eine Entladeeinrichtung und ein Entladeverfahren für eine Batterie bekannt.From the DE 10 2015 014 172 A1 a discharge device and a discharge method for a battery are known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Leistungselektronikvorrichtung bereitzustellen.The object of the invention is to provide an improved power electronics device.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.This object is solved by the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are disclosed by the dependent patent claims, the following description and the figures.

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikvorrichtung mit zumindest einer Leistungskomponente, einer Kühleinrichtung und einem Entladewiderstand, wobei die Leistungskomponente zur Kühlung an die Kühleinrichtung angebracht ist, wobei der Entladewiderstand dazu ausgebildet ist, die Leistungskomponente durch Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme zu entladen, und wobei der Entladewiderstand außerhalb der Leistungskomponente an der Kühleinrichtung angeordnet ist, vorzugsweise jedoch innerhalb der Leistungselektronikvorrichtung. Mit anderen Worten umfasst die Leistungselektronikvorrichtung zumindest eine Leistungskomponente, eine Kühleinrichtung und einen Entladewiderstand, wobei der Entladewiderstand dazu ausgebildet sein kann, die Leistungskomponente, insbesondere eine Zwischenkreisspannung der Leistungskomponente, zu entladen. Die Leistungskomponente, die auch als Leistungsmodul bezeichnet werden kann, kann ein elektrisches Bauteil sein, insbesondere ein Bauteil mit einem Zwischenkreiskondensator oder EMV X-Kondensator, das bei Unterbrechung der Stromzufuhr durch den Entladewiderstand aus Sicherheitsgründen entladen werden soll. Beispielsweise kann die Leistungskomponente als Leistungselektronik für einen Antriebsumrichter, einen Hochstromwandler, ein Ladegerät, einen elektrischen Kompressor und/oder eine elektrische Heizung ausgebildet sein. Die zumindest eine Leistungskomponente ist an der Kühleinrichtung angebracht, wobei die Kühleinrichtung dazu ausgebildet ist, die Leistungskomponente zu kühlen. Der Entladewiderstand kann beispielsweise Teil einer Entladeschaltung sein, wobei der Entladewiderstand außerhalb der Leistungskomponente an der Kühleinrichtung angeordnet ist, insbesondere an einer Oberfläche der Kühleinrichtung. Insbesondere kann der Entladewiderstand über eine elektrische Leitung, beispielsweise ein Kabel, aus der Leistungskomponente herausgeführt sein, um den Entladewiderstand unmittelbar auf der Kühleinrichtung anzuordnen. Insbesondere kann der Entladewiderstand durch das Kabel außerhalb der Leistungskomponente, jedoch noch innerhalb der Leistungselektronikvorrichtung angeordnet sein. Die Kühleinrichtung kann vorzugsweise eine aktive Kühlung umfassen, das heißt einen Kühlkreislauf, in dem ein Kühlmedium zirkuliert, wobei das Kühlmedium beispielsweise Luft, Wasser oder ein sonstiges geeignetes Kühlfluid umfassen kann.The invention relates to a power electronics device having at least one power component, a cooling device and a discharge resistor, the power component being attached to the cooling device for cooling, the discharge resistor being designed to discharge the power component by converting electrical energy into heat, and the discharge resistor is arranged outside of the power component on the cooling device, but preferably within the power electronics device. In other words, the power electronics device comprises at least one power component, a cooling device and a discharge resistor, it being possible for the discharge resistor to be designed to discharge the power component, in particular an intermediate circuit voltage of the power component. The power component, which can also be referred to as a power module, can be an electrical component, in particular a component with an intermediate circuit capacitor or EMC X capacitor, which is to be discharged by the discharge resistor for safety reasons when the power supply is interrupted. For example, the power component can be in the form of power electronics for a drive converter, a high-current converter, a charger, an electric compressor and/or an electric heater. The at least one power component is attached to the cooling device, the cooling device being designed to cool the power component. The discharge resistor can be part of a discharge circuit, for example, with the discharge resistor being arranged outside the power component on the cooling device, in particular on a surface of the cooling device. In particular, the discharge resistor can be brought out of the power component via an electrical line, for example a cable, in order to arrange the discharge resistor directly on the cooling device. In particular, the discharge resistor can be arranged outside of the power component through the cable, but still inside the power electronics device. The cooling device can preferably include active cooling, ie a cooling circuit in which a cooling medium circulates, wherein the cooling medium can include, for example, air, water or another suitable cooling fluid.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Leistungselektronikvorrichtung, insbesondere die Leistungskomponente, deutlich vereinfacht werden kann, da eine Größe des Entladewiderstands durch die Anbringung an die Kühleinrichtung erheblich reduziert ausgeführt werden kann, was neue Bauformen ohne eigene thermische Masse ermöglicht. Neben einem Einsparpotential von Bauraum und Kosten können zudem die Lebensdauer und Robustheit des Entladewiderstands erhöht werden. Insbesondere ergeben sich niedrigere Materialkosten für den Entladewiderstand mit Kühlanbindung, eine Anzahl von Entladewiderständen kann durch die bessere Kühlung eingespart werden, und durch die Anbindung an die aktive Kühlung der Leistungskomponente kann ein thermischer Stress reduziert werden, wodurch sich die Lebensdauer erhöht.The advantage of the invention is that the power electronics device, in particular the power component, can be significantly simplified, since the size of the discharge resistor can be significantly reduced by attaching it to the cooling device, which enables new designs without their own thermal mass. In addition to potential savings in installation space and costs, the service life and robustness of the discharge resistor can also be increased. In particular, there are lower material costs for the discharge resistor with a cooling connection, a number of discharge resistors can be saved due to the better cooling, and thermal stress can be reduced by the connection to the active cooling of the power component, which increases the service life.

Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments that result in additional advantages.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Entladewiderstand in einer Folie bereitgestellt ist. Mit anderen Worten ist der Entladewiderstand in eine Folie eingearbeitet. Vorzugsweise kann der Entladewiderstand flächig in die Folie eingearbeitet sein, um einen verbesserten Wärmeübergang zu der Kühleinrichtung bereitzustellen. Die Folie mit dem Entladewiderstand kann vorzugsweise flexibel an die Kühleinrichtung angepasst werden, insbesondere an eine Oberfläche der Kühleinrichtung. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass der Entladewiderstand flexibel außerhalb der Leistungskomponente angeordnet werden kann und somit ein Kostenaufwand bei der Herstellung beziehungsweise Montage der Leistungselektronikvorrichtung verringert werden kann, da ein Bauraum reduziert werden kann. Des Weiteren weist ein Entladewiderstand in der Folie, der auch als Folienwiderstand bezeichnet werden kann, ein verringertes Gewicht auf.One embodiment provides that the discharge resistor is provided in a film. In other words, the discharge resistor is incorporated into a foil. The discharge resistor can preferably be worked into the film over a large area in order to provide improved heat transfer to the cooling device. The film with the discharge resistor can preferably be flexibly adapted to the cooling device, in particular to a surface of the cooling device. This embodiment results in the advantage that the discharge resistor can be arranged flexibly outside of the power component and thus the cost of manufacturing or assembling the power electronics device can be reduced since installation space can be reduced. Furthermore, a discharge resistor in the foil, which can also be referred to as a foil resistor, has a reduced weight.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Entladewiderstand durch eine mäanderförmige Metallstruktur, insbesondere eine Kupferstruktur, in der Folie bereitgestellt ist. Mittels der mäanderförmigen Metallstruktur kann der Entladewiderstand über eine große Fläche der Folie ausgebildet sein, wodurch eine Kühlleistung verbessert werden kann.A further embodiment provides that the discharge resistor is provided by a meandering metal structure, in particular a copper structure, in the foil. By means of the meandering metal structure, the discharge resistance can be formed over a large area of the film, which means that cooling performance can be improved.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Widerstandswert des Entladewiderstands durch eine Variation der mäanderförmigen Metallstruktur einstellbar ist, insbesondere durch eine Variation einer Strecke und/oder Dicke des Metalls der Metallstruktur. Das heißt, dass der Widerstandswert, der ein numerischer Wert mit der physikalischen Einheit Ohm sein kann, über die Länge oder die Dicke der Metallleitungen eingestellt werden kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der elektrische Widerstand des Entladewiderstands sehr präzise angebracht werden kann.It is preferably provided that a resistance value of the discharge resistor can be adjusted by varying the meandering metal structure, in particular by varying a distance and/or thickness of the metal of the metal structure. This means that the resistance value, which can be a numerical value with physical units in ohms, can be adjusted via the length or the thickness of the metal lines. This results in the advantage that the electrical resistance of the discharge resistor can be attached very precisely.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Unterseite der Folie eine Klebeschicht aufweist, wobei die Klebeschicht dazu ausgebildet ist, eine Klebeverbindung mit der Kühleinrichtung bereitzustellen. Mit anderen Worten kann die Folie eine selbstklebende Folie sein, die zumindest auf einer Seite, insbesondere der Unterseite, eine Adhäsionsschicht aufweist, durch die eine Klebeverbindung mit der Kühleinrichtung bereitgestellt werden kann. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass ein Kostenaufwand reduziert werden kann, insbesondere bei einer Herstellung der Leistungselektronikvorrichtung, da die Folie durch die Klebeschicht flexibel an die Kühleinrichtung angebracht werden kann.A further embodiment provides that an underside of the film has an adhesive layer, the adhesive layer being designed to provide an adhesive connection to the cooling device. In other words can the film can be a self-adhesive film which has an adhesive layer at least on one side, in particular the underside, through which an adhesive connection to the cooling device can be provided. This embodiment has the advantage that costs can be reduced, in particular when manufacturing the power electronics device, since the film can be flexibly attached to the cooling device through the adhesive layer.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Klebeschicht einen Wärmeleitkleber aufweist. Insbesondere kann der Wärmeleitkleber eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die beispielsweise größer als 1 W/mK oder 2 W/mK ist. Der Wärmeleitkleber kann vorzugsweise ein Zweikomponentenklebstoff auf Epoxid- oder Silikonbasis sein, der keramische oder metallische Füllstoffe zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere Aluminiumoxid. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass eine Wärmeabfuhr von dem Entladewiderstand zu der Kühleinrichtung verbessert werden kann.Provision is preferably made for the adhesive layer to have a thermally conductive adhesive. In particular, the thermally conductive adhesive can have a predetermined thermal conductivity that is greater than 1 W/mK or 2 W/mK, for example. The thermally conductive adhesive can preferably be a two-component adhesive based on epoxy or silicone, which has ceramic or metallic fillers to increase the thermal conductivity, in particular aluminum oxide. This embodiment results in the advantage that heat dissipation from the discharge resistor to the cooling device can be improved.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Unterseite der Folie eine Schicht mit einem Phasenwechselmaterial, insbesondere einem thermisch leitfähigen Phasenwechselmaterial, aufweist. Ein Phasenwechselmaterial (Phase change material, PCM, oder Thermally conductive phase change material) können durch einen Übergang des Aggregatzustands besonders effizient Wärme aufnehmen, wodurch eine Wärme von dem Entladewiderstand besonders schnell aufgenommen und an die Kühleinrichtung weitergeleitet werden kann. Somit ergibt sich eine Verbesserung der Abfuhr von Wärme, wodurch der Entladewiderstand, insbesondere die Folie mit dem Entladewiderstand, noch kompakter ausgebildet werden kann.It is preferably provided that the underside of the film has a layer with a phase change material, in particular a thermally conductive phase change material. A phase change material (phase change material, PCM, or thermally conductive phase change material) can absorb heat particularly efficiently through a transition of the state of aggregation, as a result of which heat can be absorbed particularly quickly by the discharge resistor and passed on to the cooling device. This results in an improvement in the dissipation of heat, as a result of which the discharge resistor, in particular the film with the discharge resistor, can be made even more compact.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Folie ein elektrisch isolierendes Material aufweist. Mit anderen Worten kann der Entladewiderstand innerhalb der Folie eingearbeitet sein, wobei die Folie selber elektrisch isolierend ist. Insbesondere kann die Folie einen Kunststoff aufweisen, beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET) oder Polypropylen.A further embodiment provides that the film has an electrically insulating material. In other words, the discharge resistor can be incorporated within the foil, with the foil itself being electrically insulating. In particular, the film can have a plastic, for example polyethylene terephthalate (PET) or polypropylene.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung als eine aktive Kühleinrichtung ausgebildet ist, insbesondere als eine Wasserkühlung. Mit einer aktiven Kühlung ist ein Kühlkreislauf gemeint, durch den Wärme abtransportiert werden kann. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung eine Kanalstruktur aufweisen, durch die ein Kühlfluid fließt, beispielsweise Wasser, wobei durch die Leistungskomponente und den Entladewiderstand aufgewärmtes Wasser vorzugsweise durch einen beabstandeten Wärmetauscher geleitet werden kann, um eine kontinuierliche Kühlung bereitzustellen. Der Vorteil der aktiven Kühleinrichtung ist es, dass eine verbesserte Kühlwirkung bereitgestellt werden kann, wodurch der Entladewiderstand kompakter ausgebildet werden kann.It is preferably provided that the cooling device is designed as an active cooling device, in particular as a water cooling system. Active cooling means a cooling circuit through which heat can be transported away. For example, the cooling device can have a channel structure through which a cooling fluid, for example water, flows, wherein water heated by the power component and the discharge resistor can preferably be passed through a spaced-apart heat exchanger to provide continuous cooling. The advantage of the active cooling device is that an improved cooling effect can be provided, as a result of which the discharge resistor can be made more compact.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Leistungselektronikvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen. Hierbei ergeben sich gleiche Vorteile und Variationsmöglichkeiten wie bei der Leistungselektronikvorrichtung. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.A further aspect of the invention relates to a motor vehicle with a power electronics device according to one of the preceding embodiments. This results in the same advantages and possible variations as in the case of the power electronics device. The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck, or as a passenger bus or motorcycle.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leistungselektronikvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes developments of the motor vehicle according to the invention, which have features as have already been described in connection with the developments of the power electronics device according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the motor vehicle according to the invention are not described again here.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.The invention also includes the combinations of features of the described embodiments. The invention also includes implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, unless the embodiments were described as mutually exclusive.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

  • 1 ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug mit einer Leistungselektronikvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 2 ein Entladewiderstand gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Exemplary embodiments of the invention are described below. For this shows:
  • 1 a schematically illustrated motor vehicle with a power electronics device according to an exemplary embodiment;
  • 2 a discharge resistor according to an example embodiment.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that each also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to encompass combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols designate elements with the same function.

In 1 ist ein stark schematisiertes Kraftfahrzeug 10 mit einem schematisierten Teil einer Leistungselektronikvorrichtung 12 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 kann für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug sein, und die Leistungselektronikvorrichtung 12 kann mit einem Hochvoltbordnetz des Kraftfahrzeugs 10 gekoppelt sein. Die Leistungselektronikvorrichtung 12 kann eine oder mehrere Leistungskomponenten 14 aufweisen, beispielsweise drei Halbrücken-Leistungsmodule 14 eines dreiphasigen Leistungsmoduls für einen Hauptumrichter. Zur Kühlung kann die Leistungskomponente 14 an einer Kühleinrichtung 16 der Leistungselektronikvorrichtung 12 angebracht sein.In 1 1 shows a highly schematized motor vehicle 10 with a schematized part of a power electronics device 12 according to an exemplary embodiment. Motor vehicle 10 can be for a hybrid or electric vehicle, and power electronics device 12 can be coupled to a high-voltage vehicle electrical system of motor vehicle 10 . The power electronics device 12 may include one or more power components 14, for example three half-back power modules 14 of a three-phase power module for a main converter. For cooling, the power component 14 can be attached to a cooling device 16 of the power electronics device 12 .

Die Kühleinrichtung 16 kann vorzugsweise eine aktive Kühleinrichtung sein, das heißt, dass diese beispielsweise eine Kühlstruktur aufweist, die durch ein Kühlfluid, insbesondere Wasser, durchströmt wird. Insbesondere kann die Kühleinrichtung 16 dazu ausgebildet sein, Wärme von den Leistungskomponenten 14 abzuführen.The cooling device 16 can preferably be an active cooling device, which means that it has, for example, a cooling structure through which a cooling fluid, in particular water, flows. In particular, the cooling device 16 can be designed to dissipate heat from the power components 14 .

Des Weiteren kann die Leistungselektronikvorrichtung 12 zur Gewährleistung einer Gebrauchssicherheit sowie einer funktionalen Sicherheit eine Entladeschaltung mit einem Entladewiderstand 18 aufweisen, wobei der Entladewiderstand 18 dazu ausgebildet ist, die Leistungskomponente 14 durch Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme zu entladen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Entladewiderstand 18 außerhalb der Leistungskomponente 14 an der Kühleinrichtung 16 angeordnet ist, insbesondere an einer Oberfläche der Kühleinrichtung 16.Furthermore, to ensure operational safety and functional safety, the power electronics device 12 can have a discharge circuit with a discharge resistor 18, the discharge resistor 18 being designed to discharge the power component 14 by converting electrical energy into heat. It is preferably provided that the discharge resistor 18 is arranged outside of the power component 14 on the cooling device 16, in particular on a surface of the cooling device 16.

Der Entladewiderstand 18 kann durch eine leitfähige Verbindung mit der Leistungskomponente 14 verbunden sein, die in dieser Figur nicht dargestellt ist. Vorzugsweise kann der Entladewiderstand in eine Folie 20 eingearbeitet sein, wodurch eine flächige Anordnung an der Kühleinrichtung 16 ermöglicht wird, was den Vorteil hat, dass ein verbesserter Wärmeaustausch von dem Entladewiderstand 18 zu der Kühleinrichtung 16 bereitgestellt werden kann. Besonders bevorzugt kann an einer Unterseite der Folie 20 eine Klebeschicht angebracht sein, mit der der Entladewiderstand 18 an die Kühleinrichtung 16 angeklebt werden kann. Das hat den Vorteil, dass eine besonders flexible Anbringung des Entladewiderstands 18 an die Kühleinrichtung 16 bereitgestellt werden kann und somit eine Anbringung des Entladewiderstands 18 flexibler durchgeführt werden kann. Insbesondere kann die Klebeschicht einen Wärmeleitkleber aufweisen, wodurch ein Wärmeübergang von dem Entladewiderstand 18 zu der Kühleinrichtung 16 zusätzlich verbessert werden kann.The discharge resistor 18 can be connected to the power component 14 by a conductive connection, which is not shown in this figure. The discharging resistor can preferably be incorporated into a film 20, which enables a planar arrangement on the cooling device 16, which has the advantage that an improved heat exchange from the discharging resistor 18 to the cooling device 16 can be provided. Particularly preferably, an adhesive layer can be applied to an underside of the film 20, with which the discharge resistor 18 can be adhesively bonded to the cooling device 16. This has the advantage that a particularly flexible attachment of the discharge resistor 18 to the cooling device 16 can be provided and thus the discharge resistor 18 can be attached more flexibly. In particular, the adhesive layer can have a thermally conductive adhesive, as a result of which heat transfer from the discharge resistor 18 to the cooling device 16 can be additionally improved.

In 2 ist ein Entladewiderstand 18 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. In dieser Ausführungsform kann der Entladewiderstand 18 in der Folie 20 als eine mäanderförmige Metallstruktur 22 bereitgestellt sein. Die mäanderförmige Metallstruktur 22 kann insbesondere eine Kupferstruktur sein. Das bedeutet, dass eine oder mehrere Kupferleitungen bereitgestellt sind, die über eine Fläche der Folie 20 mäanderförmig ausgebildet sind, wobei über einen ohmschen Widerstand der Kupferleitungen eine elektrische Energie in Wärme umgewandelt werden kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass durch eine Variation der mäanderförmigen Metallstruktur 22 ein Widerstandswert des Entladewiderstands 18 einstellbar ist. Das heißt, dass beispielsweise eine Länge beziehungsweise Strecke und eine Dicke der mäanderförmigen Leitungen in geeigneter Weise angepasst werden können, um den gewünschten Widerstandswert zu erhalten. Damit bei einem Entladevorgang kein elektrischer Strom auf weitere Komponenten der Leistungselektronikvorrichtung 12, insbesondere auf die Kühleinrichtung 16, übergreift, kann die Folie 20 vorzugsweise elektrisch isolierend ausgebildet sein.In 2 A discharge resistor 18 is shown according to an exemplary embodiment. In this embodiment, the discharge resistor 18 can be provided in the foil 20 as a meandering metal structure 22 . The meandering metal structure 22 can in particular be a copper structure. This means that one or more copper lines are provided, which are designed in a meandering manner over a surface of the film 20, it being possible for electrical energy to be converted into heat via an ohmic resistance of the copper lines. In particular, it can be provided that a resistance value of the discharge resistor 18 can be adjusted by varying the meandering metal structure 22 . This means that, for example, a length and a thickness of the meandering lines can be suitably adjusted in order to obtain the desired resistance value. So that no electric current spreads to other components of the power electronics device 12, in particular to the cooling device 16, during a discharging process, the film 20 can preferably be designed to be electrically insulating.

Des Weiteren kann der Entladewiderstand 18 eine Steckverbindung 24 aufweisen, über die der Entladewiderstand 18 besonders einfach und schnell mit der Leistungskomponente 14 verbunden werden kann. Insbesondere ist es durch die Steckverbindung 24 unter geringem Kostenaufwand möglich, den Entladewiderstand 18 auszutauschen, wobei eine Anbringung an die Kühleinrichtung 16 durch die Ausbildung als Folie 20 besonders einfach durchgeführt werden kann.Furthermore, the discharge resistor 18 can have a plug-in connection 24 via which the discharge resistor 18 can be connected to the power component 14 particularly easily and quickly. In particular, the plug-in connection 24 makes it possible to exchange the discharge resistor 18 at low cost, with attachment to the cooling device 16 being able to be carried out particularly easily due to the design as a film 20 .

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform besteht ein Aspekt darin, eine aktive Entladung, im Speziellen den Entladewiderstand 18, durch eine Anbringung an den Hauptkühler (Kühleinrichtung 16) der Hochvolt-Komponente (Leistungskomponente 14) erheblich zu vereinfachen. Dazu wird der Entladewiderstand 18 in Form einer elektrisch isolierenden, selbstklebenden Folie 20 umgesetzt. Durch die Anbindung an die aktive Kühlung kann somit eine Bauform erreicht werden, welche über keine eigenständige thermische Masse verfügt und zudem neue Freiheitsgrade bei der Integration ermöglicht.According to a further exemplary embodiment, one aspect consists in considerably simplifying an active discharge, in particular the discharge resistor 18, by attaching it to the main cooler (cooling device 16) of the high-voltage component (power component 14). To this end, the discharge resistor 18 is implemented in the form of an electrically insulating, self-adhesive film 20 . By connecting to the active cooling, a design can be achieved that does not have its own thermal mass and also allows new degrees of freedom in integration.

Bei der Umsetzung des Entladewiderstands 18 in einer selbstklebenden Folie 20 kann ein elektrischer Widerstand durch gezieltes Einbringen einer mäanderförmigen Kupferstruktur 22 eingestellt werden. Durch Variation der Mäander beziehungsweise der Kupferstrecke und Dicke kann der elektrische Widerstand sehr präzise angebracht werden. Die mäanderförmige Kupferstruktur kann in einer elektrisch isolierenden Folie untergebracht werden. Die Unterseite der Folie 20 kann selbstklebend ausgeführt sein, wobei ein Kleber zugleich sehr gute Eigenschaften bezüglich thermischer Leitfähigkeit besitzen kann. Somit kann die im mäanderförmigen Widerstand entstehende Verlustleistung flächig über die Folie 20 auf den Kühler (Kühleinrichtung 16) übermittelt werden. Zusätzlich kann die Klebeverbindung mit Hilfe eines thermischen Phasenwechselmaterials („Phase change material“ oder „Thermally conductive phase change material“) realisiert werden.When implementing the discharge resistor 18 in a self-adhesive film 20, an electrical resistance can be set by deliberately introducing a meandering copper structure 22. By varying the meanders or the copper path and thickness, the electrical resistance can be applied very precisely. the meandering copper structure can be accommodated in an electrically insulating foil. The underside of the film 20 can be self-adhesive, with an adhesive also being able to have very good properties with regard to thermal conductivity. Thus, the power loss occurring in the meandering resistance can be transmitted over the entire area via the film 20 to the cooler (cooling device 16). In addition, the adhesive connection can be realized with the help of a thermal phase change material (“phase change material” or “thermally conductive phase change material”).

Hierdurch kann eine Teilschaltung für eine aktive Entladung in Hochvoltkomponenten (Leistungskomponente 14) deutlich vereinfacht werden. Durch die Anbringung des Entladewiderstands 18 an die aktive Kühlung der Kühleinrichtung 16 des Antriebsumrichters, das heißt der Leistungskomponente 14, kann dieser erheblich reduziert ausgeführt werden. Dadurch werden neue Bauformen ohne eigene thermische Masse ermöglicht, wie zum Beispiel die Ausführungsform einer selbstklebenden Folie 20.As a result, a partial circuit for an active discharge in high-voltage components (power component 14) can be significantly simplified. By attaching the discharge resistor 18 to the active cooling of the cooling device 16 of the drive converter, ie the power component 14, this can be designed to be significantly reduced. This enables new designs without their own thermal mass, such as the embodiment of a self-adhesive film 20.

Neben erheblichem Einsparpotential von Bauraum und Kosten können zudem eine Lebensdauer und Robustheit der Teilschaltung gesteigert werden. Auch eine Flexibilität der Verortung des Entladewiderstands 18 wird damit deutlich erhöht. Somit kann dieser innerhalb der Leistungselektronikvorrichtung 12 an alle Kühlflächen angebracht werden und muss nicht auf einer Platine der Leistungskomponente 14 verortet werden.In addition to the considerable potential for saving installation space and costs, the service life and robustness of the sub-circuit can also be increased. Flexibility in the location of the discharge resistor 18 is also significantly increased in this way. It can therefore be attached to all cooling surfaces within the power electronics device 12 and does not have to be located on a printed circuit board of the power component 14 .

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine aktive Entladewiderstandsfolie für Elektrofahrzeuge bereitgestellt werden kann.Overall, the examples show how an active discharge resistance film for electric vehicles can be provided by the invention.

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Claims (10)

Leistungselektronikvorrichtung (12) mit zumindest einer Leistungskomponente (14), einer Kühleinrichtung (16) und einem Entladewiderstand (18), wobei die Leistungskomponente (14) zur Kühlung an die Kühleinrichtung (16) angebracht ist, wobei der Entladewiderstand (18) dazu ausgebildet ist, die Leistungskomponente (14) durch Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme zu entladen, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladewiderstand (18) außerhalb der Leistungskomponente (14) an der Kühleinrichtung (16) angeordnet ist.Power electronics device (12) with at least one power component (14), a cooling device (16) and a discharge resistor (18), the power component (14) being attached to the cooling device (16) for cooling, the discharge resistor (18) being designed for this purpose To discharge the power component (14) by converting electrical energy into heat, characterized in that the discharge resistor (18) is arranged outside of the power component (14) on the cooling device (16). Leistungselektronikvorrichtung (12) nach Anspruch 1, wobei der Entladewiderstand (18) in einer Folie (20) bereitgestellt ist.Power electronics device (12) after claim 1 , wherein the discharge resistor (18) is provided in a film (20). Leistungselektronikvorrichtung (12) nach Anspruch 2, wobei der Entladewiderstand (18) durch eine mäanderförmige Metallstruktur (22), insbesondere eine Kupferstruktur, in der Folie (20) bereitgestellt ist.Power electronics device (12) after claim 2 , wherein the discharge resistor (18) is provided by a meandering metal structure (22), in particular a copper structure, in the film (20). Leistungselektronikvorrichtung (12) nach Anspruch 3, wobei ein Widerstandswert des Entladewiderstands (18) durch eine Variation der mäanderförmigen Metallstruktur (22), insbesondere durch Variation einer Strecke und/oder Dicke des Metalls, einstellbar ist.Power electronics device (12) after claim 3 , A resistance value of the discharge resistor (18) being adjustable by varying the meandering metal structure (22), in particular by varying a distance and/or thickness of the metal. Leistungselektronikvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Unterseite der Folie (20) eine Klebeschicht aufweist, wobei die Klebeschicht dazu ausgebildet ist, eine Klebeverbindung mit der Kühleinrichtung (16) bereitzustellen.Power electronics device (12) according to one of claims 2 until 4 , wherein an underside of the film (20) has an adhesive layer, wherein the adhesive layer is designed to provide an adhesive connection to the cooling device (16). Leistungselektronikvorrichtung (12) nach Anspruch 5, wobei die Klebeschicht einen Wärmeleitkleber aufweist.Power electronics device (12) after claim 5 , wherein the adhesive layer comprises a thermally conductive adhesive. Leistungselektronikvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Unterseite der Folie (20) eine Schicht mit einem Phasenwechselmaterial, insbesondere einem thermisch leitfähigen Phasenwechselmaterial, aufweist.Power electronics device (12) according to one of Claims 5 or 6 , wherein the underside of the film (20) has a layer with a phase change material, in particular a thermally conductive phase change material. Leistungselektronikvorrichtung (12) nach einem Ansprüche 2 bis 7, wobei die Folie (20) ein elektrisch isolierendes Material aufweist.Power electronics device (12) according to a claims 2 until 7 , wherein the film (20) comprises an electrically insulating material. Leistungselektronikvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung (16) als eine aktive Kühleinrichtung (16) ausgebildet ist, insbesondere als eine Wasserkühlung.Power electronics device (12) according to one of the preceding claims, wherein the cooling device (16) is designed as an active cooling device (16), in particular as a water cooling system. Kraftfahrzeug (10) mit einer Leistungselektronikvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Motor vehicle (10) with a power electronics device (12) according to one of the preceding claims.
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