DE102022101744A1

DE102022101744A1 - Temperierungseinrichtung mit einem Aluminiumkühlkörper und einem Heizelement, leistungselektronische Einrichtung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022101744A1
Application number: DE102022101744.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Schardax; Gerald Gruber; Erwin Weigl; Peter SCHREIVOGEL
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2023-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperierungseinrichtung (3), die ein elektrisches Heizelement (5, 11) und einen Aluminiumkühlkörper (4) aufweist. Der Aluminiumkühlkörper (4) weist seinerseits eine Innenseite (8) zur Anordnung an einem zu temperierenden Bauteil (2) und eine dieser gegenüberliegende Außenseite (9) auf. Diese Außenseite (9) des Aluminiumkühlkörpers 4) ist zum Ausbilden einer Eloxalschicht (10) eloxiert. Das elektrische Heizelement (5, 11) ist dabei auf dieser Außenseite (9) angeordnet, sodass es durch die Eloxalschicht (10) elektrisch von der Innenseite (8) des Aluminiumkühlkörpers (4) elektrisch isoliert ist. Die Erfindung betrifft weiter eine entsprechende leistungselektronische Einrichtung (1) sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug (16).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperierungseinrichtung, beispielsweise für eine Leistungselektronik. Die Erfindung betrifft weiter eine leistungselektronische Einrichtung mit einer solchen Temperierungseinrichtung sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
In vielerlei technischen Gebieten und Anwendungen werden Bauteile und Einrichtungen verwendet, die nur in einem begrenzten Temperaturbereich optimal ihre Funktion erfüllen, beispielsweise mit optimaler Effizienz oder möglichst geringer Alterung. Vor diesem Hintergrund werden verbreitet Einrichtungen zur Temperierung, beispielsweise Kühlkörper oder dergleichen, verwendet. Für diese können unterschiedliche, teilweise miteinander in Konflikt stehende Ziel- oder Optimierungsvorgaben bestehen. So können beispielsweise eine Minimierung von Kosten, Herstellungs- und Betriebsaufwand, Energiebedarf und Bauraumbedarf und eine Maximierung von Effektivität, Effizienz, Temperierungsleistung, elektrischer Sicherheit und/oder dergleichen mehr angestrebt werden. Problematisch kann beispielsweise sein, dass besonders hohe elektrische Versorgungsleistungen von elektrischen Heizelementen zwar ein besonders effektives und schnelles Aufheizen ermöglichen können, andererseits aber auch eine entsprechend umfangreiche elektrische Isolierung benötigen, was einen Wärmetransport in unerwünschter Weise hemmen kann. Es besteht auf diesem Gebiet also weiterhin Potenzial und Bedarf für Verbesserungen.
Als einen Ansatz beschreibt die DE 2004 002 743 A1 einen Kühlkörper für eine Leistungselektronik. Dafür ist es vorgesehen, dass eine dicke Hartstoff- bzw. Keramikbeschichtung mit hoher elektrischer Isolationswirkung und hoher thermischer Leitfähigkeit mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder eines CVD- oder PVD-Verfahrens aufgebracht wird. Dies soll einen wirtschaftlichen Aufbau von Leistungsmodulen ermöglichen, die mittels eines elektrisch isolierten Kühlkörpers Leistungskomponenten optimal Wärme entziehen können.
Einen Anwendungsfall, in dem oftmals eine Temperierung notwendig ist, stellen elektrische Energiespeicher dar. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2019 133 417 A1 einen solchen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug. Dort ist ein Speichergehäuse vorgesehen, in dessen Innenraum wenigstens eine als Speicherzelle ausgebildete Batteriezelle angeordnet ist. Weiter ist eine Heizeinrichtung zum Beheizen der Speicherzelle vorgesehen, wobei die Heizeinrichtung als ein an sich flexibles Flächenelement ausgebildet ist. Damit soll eine besonders vorteilhafte Temperierung des elektrischen Energiespeichers realisiert werden.
Als weiteres Beispiel beschreibt die DE 10 2018 213 546 A1 eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Batteriezelle. Zum Kühlen der Batteriezelle ist mit dieser eine von einem Kältemittel durchströmbare Verdampferplatte gekoppelt. Dabei ist zwischen der Batteriezelle und der Verdampferplatte eine thermisch dämmende Schicht angeordnet. Diese ist luftspaltfrei mechanisch angekoppelt und bildet dadurch senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Verdampferplatte zwischen dieser und der Batteriezelle einen über deren Überlappungsbereich hinweg gleichmäßigen, vorgegebenen Wärmedurchlasswiderstand. Auf diese Weise soll eine besonders bauraum- und gewichtssparende Kühlung der Hochvoltbatterie ermöglicht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders effiziente Möglichkeit für eine besonders gleichmäßige Temperierung einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart.
Die erfindungsgemäße Temperierungseinrichtung weist ein elektrisches Heizelement und einen Aluminiumkühlkörper auf. Der Aluminiumkühlkörper kann ganz oder teilweise aus Aluminium oder einem Aluminiummaterial gefertigt sein. Der Aluminiumkühlkörper kann beispielsweise eine oder mehrere Kühlfinnen und/oder wenigstens einen Kühlkanal zum Führen eines Kühl- oder Kältemediums aufweisen. Der Aluminiumkühlkörper weist eine Innenseite zur Anordnung an einem zu temperierenden Bauteil auf. Diese Innenseite kann auch als Kühlseite bezeichnet werden und ist in bestimmungsgemäßer Einbaulage der Temperierungseinrichtung dem jeweils zu temperierenden Bauteil oder der jeweils zu temperierenden Einrichtung zugewandt, beispielsweise daran angeordnet oder wärmeleitend damit verbunden. Weiter weist der Aluminiumkühlkörper eine der Innenseite gegenüberliegende Außenseite auf. Diese Außenseite kann also beispielsweise zumindest im Wesentlichen parallel zu der Innenseite angeordnet bzw. erstreckt sein. Die Außenseite ist in bestimmungsgemäßer Einbaulage der Temperierungseinrichtung eine von dem zu temperierenden Bauteil abgewandte Seite des Aluminiumkühlkörpers.
Erfindungsgemäß ist zumindest diese Außenseite des Aluminiumkühlkörpers zum dortigen Ausbilden einer Eloxalschicht eloxiert. Dabei ist das elektrische Heizelement auf dieser Außenseite angeordnet, sodass es durch die Eloxalschicht elektrisch von der Innenseite des Aluminiumkühlkörpers bzw. von einem inneren Kern- oder Bulkmaterial des Aluminiumkühlkörpers elektrisch isoliert ist. Damit trägt die Eloxalschicht in bestimmungsgemäßer Einbaulage der Temperierungseinrichtung auch zur elektrischen Isolierung des Heizelements von dem jeweiligen zu temperierenden Bauteil bei. Die Eloxalschicht bezeichnet hier allgemein eine durch anodische Oxidation des Aluminiums des Aluminiumkühlkörpers erzeugte Oxidschicht an der Oberfläche des Aluminiumkühlkörpers.
Durch die Kombination des Aluminiumkühlkörpers und des Heizelement wird eine bedarfsgerechte flexible Temperierung, nämlich ein Kühlen ebenso wie ein Aufheizen, ermöglicht. Für eine sichere Anwendung muss dabei jedoch sichergestellt sein, dass das im Betrieb mit einer Betriebsspannung beaufschlagte und stromführende Heizelement elektrisch isoliert ist. Dies wird hier zumindest zum Teil durch die Eloxalschicht erreicht, die elektrisch isolierend ist bzw. wirkt. Je nach Ausgestaltung des Heizelements, der Dicke der Eloxalschicht und der für das Heizelement verwendeten Betriebsspannung kann die Eloxalschicht als alleinige elektrische Isolierung zwischen dem Heizelement und dem Aluminiumkühlkörper bzw. der Innenseite des Aluminiumkühlkörpers oder dem jeweiligen zu temperierenden Bauteil ausreichen bzw. fungieren. Beispielsweise können durch die Eloxalschicht Potenzialdifferenzen zwischen dem Heizelement und der Innenseite des Aluminiumkühlkörpers bzw. dem jeweiligen zu temperierenden Bauteil von mehreren 100 V isoliert werden.
Für größere Potenzialdifferenzen kann das Heizelement mit einer zusätzlichen elektrischen Isolierung, beispielsweise einer Kunststoffschicht oder Kunststoffumhüllung, versehen, also elektrisch isoliert sein. Typischerweise weisen solche zusätzlichen elektrischen Isolierungen, insbesondere Kunststoffisolierungen, eine im Vergleich zu der Eloxalschicht geringere Wärmeleitfähigkeit bzw. einen höheren Wärmedurchgangswiderstand auf und stehen damit gegebenenfalls einer effektiven und effizienten Temperierung des jeweiligen an oder auf der Innenseite des Aluminiumkühlkörpers, also auf der anderen Seite des Aluminiumkühlkörpers als das Heizelement angeordneten zu temperierenden Bauteils entgegen. Durch die Eloxalschicht kann gleichzeitig zum einen eine solche zusätzliche Isolierung eingespart oder im Vergleich zu einer Bauform eloxiert deutlich dünner ausgelegt werden, ohne die elektrische Isolierung zu verschlechtern, und zum anderen eine verbesserte Wärmedurchleitung von dem Heizelement zu dem jeweiligen zu temperierenden Bauteil, also ein verbessertes thermisches Verhalten der Temperierungseinrichtung insgesamt, erreicht werden.
Ebenso kann durch die Eloxalschicht das Heizelement bei gleicher oder sogar verbesserte elektrische Isolierung bzw. elektrischer Sicherheit mit einer entsprechend höheren Betriebsspannung versorgt oder betrieben werden als dies bei ansonsten gleicher Ausgestaltung ohne die Eloxalschicht möglich wäre. Dies kann ein entsprechend effektives, effizienteres und/oder schnelleres Aufheizen ermöglichen.
Zudem ist die Eloxalschicht ein integraler Bestandteil des Aluminiumkühlkörpers und muss somit nicht als separates Bauteil oder separate Materialschicht in der Herstellung gehandhabt und beispielsweise befestigt werden.
Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung somit also eine besonders einfach zu realisierende verbesserte flexible Temperierung von Bauteilen.
Je nach konkretem Anwendungsfall oder Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Temperierungseinrichtung kann diese unterschiedlich geformt oder ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Temperierungseinrichtung plattenförmig oder mattenförmig ausgestaltet sein. Damit kann es auf entsprechende Oberflächen eines zu temperierenden Bauteils, beispielsweise auf eine Gehäusewand oder dergleichen aufgelegt werden und dadurch eine besonders großflächige, effektive und gleichmäßige Temperierung ermöglichen. Ebenso können aber andere Formen oder Ausgestaltungen möglich sein, beispielsweise eine band-, streifen-, kreis- oder ringförmige Ausgestaltung oder dergleichen.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Heizelement als elektrisches Widerstandsheizelement ausgestaltet ist. Insbesondere kann das Heizelement ein PTC-Heizelement, wie etwa eine PTC-Heizplatte oder PTC-Heizfolie (PTC: positive temperature coefficient) sein oder umfassen. Ein elektrisches Widerstandsheizelement kann besonders einfach betrieben und gesteuert werden. Ein PTC-Heizelement bzw. eine PTC-Heizfolie kann eine besonders betriebssichere und kostengünstige Möglichkeit zur Integration einer Heizlösung oder Heizmöglichkeit in die Temperierungseinrichtung darstellen. So kann sich aufgrund der inhärenten elektrischen bzw. physikalischen Eigenschaften ein PTC-Heizelement bei zunehmenden Temperaturen selbstständig abregeln, da mit zunehmender Temperatur auch der elektrische Widerstand ansteigt und somit in dem PTC-Heizelement bzw. in der PTC-Heizfolie weniger elektrische Leistung in Wärme umgesetzt wird. Damit ist also eine Eigensicherheit des Heizelements gegeben und es können beispielsweise Überhitzungen besonders einfach und zuverlässig vermieden werden. Zudem kann durch eine PTC-Heizplatte oder PTC-Heizfolie, insbesondere in Verbindung mit der gut wärmeleitenden Eloxalschicht bzw. der durch diese ermöglichten dünneren Auslegung bzw. Schichtdicke einer eventuellen zusätzlichen elektrischen Isolierung, eine besonders homogene Temperaturverteilung über die Haupterstreckungsfläche des Heizelements bzw. der Temperierungseinrichtung hinweg erreicht werden. Im Gegensatz dazu kann eine vorgesehene bzw. dickere Kunststoffisolierung des Heizelements eine schlechtere thermische Anbindung an den jeweiligen Kühlkörper bedeuten und eine inhomogenere Temperaturverteilung verursachen. Die durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können also beispielsweise größere spezifische Heizleistungen erreicht und durch die homogenere Temperaturverteilung beispielsweise eine gleichmäßigere thermische Belastung sowie gegebenenfalls eine gleichmäßigere Alterung des jeweiligen zu temperierenden Bauteils bzw. mehrerer verteilt angeordneter Elemente oder Komponenten des jeweiligen zu temperierenden Bauteils erreicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Eloxalschicht durch Harteloxieren zumindest der Außenseite des Aluminiumkühlkörpers gebildet. Durch das Harteloxieren kann eine größere Schichtdicke der Eloxalschicht erreicht werden. Dies kann die elektrische Isolierungsfähigkeit der Eloxalschicht entsprechend verbessern. Damit können die an anderer Stelle genannten Vorteile der vorliegenden Erfindung noch effektiver realisiert werden. So kann beispielsweise eine zusätzliche elektrische Isolierung des Heizelements dann gegebenenfalls gänzlich eingespart oder in ihrer Schichtdicke noch weiter reduziert werden, sodass insgesamt ein weiter verbessertes thermisches Verhalten der Temperierungseinrichtung, insbesondere im Heizbetrieb, erreicht werden kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Eloxalschicht bzw. deren Oberfläche verdichtet. Insbesondere kann die Eloxalschicht bzw. deren letztlich in der erfindungsgemäßen Temperierungseinrichtung dem Heizelement zugewandte Oberfläche mittels Heißwasserverdichten verdichtet sein. Ebenso können aber andere Verdichtungsverfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise ein Dampfverdichten und/oder ein chemisches Verdichten oder dergleichen. Durch das entsprechende Oberflächenverdichten der Eloxalschicht können dortige Poren verschlossen und eine kompaktifizierte Schicht bzw. Oberfläche erzeugt werden, beispielsweise durch Bildung oder Einlagerung von Aluminiumhydroxid. Durch die Verdichtung der Eloxalschicht bzw. der Oberfläche der Eloxalschicht kann die elektrische Isolationsfähigkeit, also die Durchschlagsfestigkeit der Eloxalschicht weiter erhöht werden. Damit können die an anderer Stelle genannten Vorteile noch effektiver realisiert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Heizelement und der Außenseite des Aluminiumkühlkörpers wenigstens eine elektrisch isolierende Kunststoffschicht angeordnet. Diese isolierende Kunststoffschicht kann beispielsweise die an anderer Stelle genannte zusätzliche elektrische Isolierung sein oder dieser entsprechen. Die elektrisch isolierende Kunststoffschicht kann eine verbesserte elektrische Isolierung des Heizelements ermöglichen, als die Eloxalschicht allein. Damit kann das Heizelement mit entsprechend höheren Betriebsspannungen versorgt oder betrieben werden. So kann dann beispielsweise bei einer Anwendung in einem elektrischen Kraftfahrzeug das Heizelement mit der vollen Nennspannung einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs versorgt und sicher betrieben werden. Damit kann also letztlich ein besonders effektives, effizientes und/oder schnelles Aufheizen und gleichzeitig ein entsprechend reduzierter elektrischer Bauteil- oder Schaltungsaufwand zum Bereitstellen einer reduzierten Betriebsspannung für das Heizelement erreicht werden. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass durch die elektrisch isolierende Wirkung der Eloxalschicht die elektrisch isolierende Kunststoffschicht eine entsprechend reduzierte Schichtdicke aufweisen kann, um eine vorgegebene Anforderung hinsichtlich der elektrischen Isolierung des Heizelements zu erreichen als dies ohne die Eloxalschicht möglich wäre. Damit kann also trotz der zusätzlichen Kunststoffschicht ein für viele Anwendungen ausreichend gutes, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Temperierungseinrichtungen verbessertes thermisches Verhalten der erfindungsgemäßen Temperierungseinrichtung erreicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Heizelement und der Außenseite des Aluminiumkühlkörpers wenigstens eine wärmeleitfähige metallische Zwischenschicht angeordnet. Diese metallische Zwischenschicht kann insbesondere aus einem Aluminiummaterial, also beispielsweise aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung oder -mischung gefertigt sein. Ebenso können für die Zwischenschicht aber andere Materialien, wie beispielsweise ein Kupfermaterial oder ein Silbermaterial oder dergleichen verwendet werden. Insbesondere kann zwischen der Zwischenschicht und der Außenseite des Aluminiumkühlkörpers und/oder zwischen dem Heizelement und der Zwischenschicht eine jeweilige elektrisch isolierende Isolationsschicht angeordnet sein. Bei dieser Isolationsschicht oder diesen Isolationsschichten kann es sich beispielsweise um die an anderer Stelle genannte zusätzliche elektrische Isolierung bzw. die an anderer Stelle genannte elektrisch isolierende Kunststoffschicht handeln. Die wärmeleitfähige metallische Zwischenschicht kann hier also gegebenenfalls zwischen zwei elektrisch isolierenden Isolationsschichten angeordnet sein, welche die Zwischenschicht einschließen bzw. umgeben und dann ebenfalls zwischen dem Heizelement und der Außenseite des Aluminiumkühlkörpers angeordnet sind.
Die metallische Zwischenschicht kann, beispielsweise im Vergleich zu der Isolations- bzw. Kunststoffschicht eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, insbesondere sowohl senkrecht zur Haupterstreckungsebene oder Haupterstreckungsfläche der Zwischenschicht und des Heizelements bzw. der Temperierungseinrichtung insgesamt als auch in dieser Haupterstreckungsebene oder Haupterstreckungsfläche, also den diese aufspannenden Richtungen. Damit kann die metallische Zwischenschicht also als Wärmeverteiler fungieren. Damit kann eine weiter verbesserte Homogenität der Temperaturverteilung über die Haupterstreckungsebene oder Haupterstreckungsfläche des Aluminiumkühlkörpers bzw. der Temperierungseinrichtung erreicht werden. Dies ermöglicht wiederum eine entsprechend homogenere Temperierung des jeweiligen wenigstens einen zu temperierenden Bauteils. Damit kann dieses beispielsweise entsprechend einfacher oder kostengünstiger ausgelegt bzw. gefertigt und/oder mit geringeren oder gleichmäßigeren Belastungen bzw. Alterungserscheinungen und damit gegebenenfalls länger als bisher üblich betrieben werden.
In bestimmungsgemäßer Einbaulage bzw. in einem bestimmungsgemäßen Betrieb kann die metallische Zwischenschicht insbesondere potenzialfrei sein. Mit anderen Worten ist dann die Zwischenschicht also nicht elektrisch kontaktiert, sodass an der Zwischenschicht insbesondere auch keine elektrischen Kontakte oder Anschlüsse angeordnet sind bzw. ausgestaltet sein müssen. Dies kann eine besonders einfache Fertigung der Temperierungseinrichtung ermöglichen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist auf einer von dem Aluminiumkühlkörper abgewandten Außenseite des Heizelement eine thermisch und elektrisch isolierende Abdeckung angeordnet. Die von dem Aluminiumkühlkörper abgewandte Außenseite des Heizelements wird hier zur Unterscheidung von der Außenseite des Aluminiumkühlkörpers auch als Heizelementaußenseite bezeichnet. Insbesondere kann hier vorgesehen sein, dass die auf der Heizelementaußenseite angeordnete elektrisch isolierende Abdeckung - senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene betrachtet - dünner ist als der Abstand zwischen dem Heizelement, insbesondere einem stromführenden Teil des Heizelements, und dem Aluminiumkühlkörper bzw. der dem Heizelement zugewandten Außenseite des Aluminiumkühlkörpers. Durch die hier vorgeschlagene Abdeckung kann das Heizelement außenseitig, also auf der Heizelementaußenseite sowohl elektrisch als auch thermisch isoliert sein. Damit kann eine besonders einfache und kostengünstige besonders gute elektrische Sicherheit und eine besonders effektive und effiziente Temperierung des jeweiligen zu temperierenden Bauteils erreicht werden. Insbesondere kann so erreicht werden, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb zumindest ein Großteil der mittels des Heizelements erzeugten Wärme in Richtung des Aluminiumkühlkörpers fließt bzw. transportiert wird und nicht durch die Heizelementaußenseite ungenutzt entweicht.
Zudem kann die Abdeckung den Aluminiumkühlkörper und in bestimmungsgemäßer Einbaulage das jeweilige zu temperierenden Bauteil gegenüber unerwünschtem Wärmeeintrag von außen isolieren. Damit kann also das jeweilige zu temperierende Bauelement besonders einfach, zuverlässig und kontrolliert in einem jeweils gewünschten, also bestimmungsgemäßen Temperaturbereich gehalten werden.
Die vorgeschlagene größere Dicke der Abdeckung, insbesondere im Vergleich zu zwischen einem im Betrieb stromführenden Teil des Heizelements und dem Aluminiumkühlkörper angeordneten weiteren Schichten oder Bauteilen, kann auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine besonders gute elektrische und thermische Isolationswirkung der Abdeckung ermöglichen, ohne die Temperierungsleistung der Temperierungseinrichtung für das jeweilige zu temperierende Bauteil einzuschränken.
Die vorgeschlagene außenseitige Abdeckung kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein. Ebenso kann die Abdeckung, beispielsweise ein Fasermaterial oder eine Fasermatte, ein Schaumstoffmaterial, ein Keramikmaterial und/oder dergleichen mehr aufweisen oder umfassen bzw. enthalten. Durch eine entsprechend robustere Ausgestaltung der Abdeckung kann diese zudem als Schutz der übrigen Teile der Temperierungseinrichtung vor mechanischen Einflüssen oder Beschädigung von außen dienen.
Einige oder alle der vorliegend genannten gegebenenfalls vorgesehenen Schichten oder Komponenten der Temperierungseinrichtung können beispielsweise durch ein Verbindungsmaterial, wie etwa einen, insbesondere elektrisch isolierenden, Wärmeleitkleber oder dergleichen, miteinander verbunden sein. Eine Schichtdicke eines entsprechenden Verbindungsmaterials kann dabei so dünn sein, dass sie keinen signifikanten Einfluss auf die Wärmeleit- oder Wärmetransporteigenschaften innerhalb der Temperierungseinrichtung hat. Beispielsweise kann die Schichtdicke des Verbindungsmaterials, insbesondere des Wärmeleitklebers, im Bereich von 2 µm bis 8 µm liegen. Die Schichtdicken der übrigen genannten Schichten können hingegen ein Mehrfaches davon betragen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine leistungselektronische Einrichtung, also eine Leistungselektronik, wie etwa ein Inverter oder dergleichen. Diese leistungselektronische Einrichtung kann insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, also eingerichtet oder ausgelegt sein. Ebenso können aber andere Anwendungen oder Einsatzzwecke möglich sein. Die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung weist wenigstens ein leistungselektronisches Bauteil auf. Dabei kann es sich beispielsweise um wenigstens einen Leistungstransistor, einen Spannungswandler und/oder dergleichen mehr handeln. Weiter weist die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung eine erfindungsgemäße Temperierungseinrichtung auf, die zur Temperierung des wenigstens einen Leistungselektronischen Bauteils angeordnet ist. Dazu kann die Temperierungseinrichtung beispielsweise direkt oder indirekt an dem Bauteil oder etwa an einem das Bauteil umgebenden Gehäuse oder dergleichen angeordnet sein. Das wenigstens eine leistungselektronische Bauteil der erfindungsgemäßen Leistung elektronischen Einrichtung kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Temperierungseinrichtung genannte zu temperierende Bauteil sein oder diesem entsprechen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das in einer Ausgestaltung eine erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung aufweist. In einer zusätzlichen oder alternativen zweiten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ein im Betrieb zu temperierendes Bauteil und eine zu dessen Temperierung angeordnete erfindungsgemäße Temperierungseinrichtung auf. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Temperierungseinrichtung und/oder das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung genannte Kraftfahrzeug sein oder diesem entsprechen.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug eine Traktionsbatterie und eine daran elektrisch angeschlossene erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung auf. Dabei kann diese leistungselektronische Einrichtung insbesondere im Bereich einer Sitzeinrichtung oder Sitzbank im Fond des Kraftfahrzeugs und in Fahrzeughochrichtung zwischen dieser Sitzeinrichtung und der Traktionsbatterie angeordnet sein. Für derartige leistungselektronische Einrichtungen im Verbund mit einer Traktionsbatterie bestehen im Betrieb des Kraftfahrzeugs typischerweise stark wechselnde Leistungsanforderungen, sodass eine effektive und flexible Temperierung günstig sein kann. Gleichzeitig kann, beispielsweise aufgrund der Einbaulage, dort eine Temperierung beispielsweise durch Motorabwärme und Beaufschlagung mit einem Umgebungsluftstrom unpraktikabel sein. Zudem kann ein Alterungsverhalten leistungselektronischer Bauteile oder Komponenten stark temperaturabhängig sein, sodass eine möglichst gleichmäßige Temperierung wünschenswert sein kann. Damit stellt die hier vorgeschlagene Weiterbildung der vorliegenden Erfindung einen besonders effektiven und nützlichen Anwendungsfall der.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine ausschnittweise schematische Schnittansicht einer leistungselektronischen Einrichtung mit einer Temperierungseinrichtung; und
2 eine ausschnittweise schematische seitliche Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer solchen leistungselektronischen Einrichtung.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine ausschnittweise schematische Querschnittansicht einer leistungselektronischen Einrichtung 1. Diese umfasst hier eine zu temperierende Leistungselektronik 2 und eine zu deren Temperierung darauf angeordnete Temperierungseinrichtung 3. Die Temperierungseinrichtung 3 umfasst ihrerseits einen Aluminiumkühlkörper 4 und eine darauf angeordnet Heizeinrichtung 5.
Der Aluminiumkühlkörper 4 weist hier beispielhaft zwei Aluminiumwandungen 6 und einen dazwischenliegenden Kühlkanal 7 zum Führen eines Kühl- oder Kältemediums auf. Der Aluminiumkühlkörper 4 liegt dabei mit einer Kühl- oder Innenseite 8 auf einer Seite oder Oberfläche der Leistungselektronik 2 auf. Die Leistungselektronik 2 kann hier beispielsweise ein Gehäuse mit einem oder mehreren darin angeordneten zu temperierenden Bauteilen oder Komponenten sein oder umfassen. Ebenso können aber einzelne zu temperierende Bauteile oder Komponenten als Leistungselektronik 2 direkt bzw. über eine Wärmeleitpaste, einen Wärmeleitkleber oder dergleichen an die Innenseite 8 des Aluminiumkühlkörpers 4 angebunden sein.
Auf einer anderen, von der Leistungselektronik 2 abgewandten Seite des Aluminiumkühlkörpers 4 erstreckt sich - hier zumindest im Wesentlichen parallel zu der Innenseite 8 - eine Außenseite 9 des Aluminiumkühlkörpers 4. Die entsprechende Aluminiumwandung 6 ist dabei eloxiert, sodass die Außenseite 9 durch eine Eloxalschicht 10 gebildet ist.
Auf der Außenseite 9 ist die Heizeinrichtung 5 angeordnet. Die Heizeinrichtung 5 umfasst eine Heizschicht 11, die beispielsweise als PTC-Heizfolie ausgestaltet sein oder eine solche PTC-Heizfolie umfassen kann. Die Heizschicht 11 kann also im Betrieb der Heizeinrichtung 5 stromdurchflossen sein, sodass dort Wärme erzeugt werden kann. Auf einer dem Aluminiumkühlkörper 4 zugewandten Seite der Heizschicht 11 ist ein elektrisch isolierendes Kunststoffsubstrat 12 angeordnet, das die Heizschicht 11 trägt. Auf einer dem Aluminiumkühlkörper 4 zugewandten Seite dieses Kunststoffsubstrats 12 ist eine wärmeleitfähige metallische Zwischenschicht 13 angeordnet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine zusätzliche Aluminiumlage handeln. Die Zwischenschicht 13 kann insbesondere zur verbesserten Wärmespreizung, also zur gleichmäßigen Verteilung der von oder in der Heizschicht 11 im Betrieb erzeugten Wärme in einer Haupterstreckungsebene der genannten Schichten dienen oder beitragen. Diese Haupterstreckungsebene steht hier senkrecht auf der Zeichenebene.
Auf einer dem Aluminiumkühlkörper 4 zugewandten Seite der Zwischenschicht 13 ist eine elektrisch isolierende Kunststoffschicht 14, beispielsweise eine PET-Lage, angeordnet. Die Zwischenschicht 13 ist hier also auf beiden Seiten elektrisch isoliert, zum einen durch das Kunststoffsubstrat 12 und zum anderen durch die Kunststoffschicht 14.
Je nach Anwendungsfall oder Anforderungen können die Zwischenschicht 13, die Kunststoffschicht 14 und/oder das Kunststoffsubstrat 12 optional sein.
Auf einer von dem Aluminiumkühlkörper 4 abgewandten Seite der Heizschicht 11 ist eine Abdeckung 15 angeordnet. Diese Abdeckung 15 kann thermisch und elektrisch isolierend wirken, also ausgelegt oder ausgestaltet sein.
Zwischen den genannten Schichten ebenso wie an der Abdeckung 15 und/oder der Außenseite 9 des Aluminiumkühlkörpers 4 können Verbindungsschichten, beispielsweise Klebstoffschichten oder dergleichen, zur Verbindung angeordnet sein. Die Heizeinrichtung 5 bzw. deren Schichten oder Komponenten können also beispielsweise auf den Aluminiumkühlkörper 4 bzw. eine jeweils unterer oder angrenzende Schicht oder Komponente auflaminiert sein.
Zum Temperieren der Leistungselektronik 2 in einem auf Heizbetrieb kann die Heizeinrichtung 5, insbesondere die Heizschicht 11 mit einer Hochspannung, also beispielsweise mehreren 100 V, beispielsweise wenigstens 100 V, wenigstens 200 V, wenigstens 400 V, wenigstens 800 V oder mehr, beaufschlagt bzw. betrieben werden. Um dabei die elektrische Isolierung und Sicherheit zu gewährleisten, muss die Heizschicht 11 elektrisch isoliert sein. Nach außen hin kann dies problemlos durch die Abdeckung 15 erreicht werden. Zu dem Aluminiumkühlkörper 4 bzw. der Leistungselektronik 2 hin soll jedoch nicht nur eine elektrische Isolierung, sondern gleichzeitig eine möglichst gute Wärmeleitung bzw. thermische Anbindung erreicht werden. Herkömmlicherweise könnte eine ausreichende elektrische Isolierung der Heizschicht 11 durch entsprechend dicke Kunststofflagen erreicht werden, die jedoch den Wärmetransport von der Heizschicht 11 zu dem Aluminiumkühlkörper 4 behindern können.
Vorliegend trägt zur elektrischen Isolierung der Heizschicht 11 hingegen auch die Eloxalschicht 10 bei. Die Eloxalschicht 10 ist also eine durch Eloxieren der entsprechenden Oberfläche der äußeren Aluminiumwandung 6 erzeugte elektrische Isolierschicht und weist gute thermische Eigenschaften, also insbesondere eine bessere Wärmeleitfähigkeit als beispielsweise typische elektrisch isolierende Kunststoffe, hier also beispielsweise besser als das Kunststoffsubstrat 12 und die Kunststoffschicht 14, auf. Dadurch, dass die Eloxalschicht 10 also einen Teil der elektrischen Isolierung bezüglich der Heizschicht 11 bildet bzw. übernimmt, können hier die Schichtdicken des Kunststoffsubstrats 12 und/oder der Kunststoffschicht 14 signifikant reduziert werden im Vergleich zu einer Ausgestaltung ohne die Eloxalschicht 10, um eine bestimmte Anforderung hinsichtlich der elektrischen Isolierung bzw. der HV-Sicherheit zu erreichen oder zu erfüllen. Beispielsweise kann durch die Eloxalschicht 10 eine Gesamtschichtdicke aller zur elektrischen Isolierung vorgesehenen oder beitragenden Kunststofflagen zwischen der Heizschicht 11 und dem Aluminiumkühlkörper 4 im Vergleich zu einer Ausführung ohne die Eloxalschicht 10 bei gegebener Isolierungsanforderung um wenigstens die Hälfte oder wenigstens dreiviertel reduziert werden. Dies kann abhängig sein von einer Ausgestaltung oder Dicke bzw. Bearbeitung der Eloxalschicht 10 ebenso wie von einer Betriebsspannung der Heizschicht 11.
Beispielsweise kann die Schichtdicke der Eloxalschicht 10 zwischen 5 µm und 200 µm betragen. Die Schichtdicke des Kunststoffsubstrat 12 kann beispielsweise in der Größenordnung von 25 µm liegen. Die Schichtdicke der Kunststoffschicht 14 kann beispielsweise in der Größenordnung von 100 µm liegen. Ebenso können andere absolute und/oder relative Dimensionierungen möglich sein. Die Darstellung der Schichtdicken ist hier nicht maßstabsgetreu.
2 zeigt eine ausschnittweise schematische seitliche Darstellung eines Kraftfahrzeugs 16. Das Kraftfahrzeug 16 weist bodenseitig eine Traktionsbatterie 17 und in einem Passagierbereich in Fahrzeughochrichtung darüber eine Fondsitzbank 18 auf. Das Kraftfahrzeug 16 ist hier mit der leistungselektronischen Einrichtung 1 ausgestattet. Dabei ist die leistungselektronische Einrichtung 1 mit der Traktionsbatterie 17 gekoppelt und vorliegend zwischen dieser und der Fondsitzbank 18 angeordnet. Dies stellt einen möglichen Anwendungsfall der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausgestaltung der leistungselektronischen Einrichtung 1 dar. Dabei kann die Leistungselektronik 2 beispielsweise einen von der Traktionsbatterie 17 zur Versorgung einer hier nicht dargestellten elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs 16 gespeisten Inverter umfassen. Durch die Verwendung der beschriebenen Temperierungseinrichtung 3 kann deren Heizschicht 11 hier beispielsweise mit der vollen Ausgangs- oder Nennspannung der Traktionsbatterie 17 betrieben werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie durch Eloxieren eines Kühlkörpers eine kostengünstige elektrische Isolierschicht mit guter Wärmeübertragung für den Kühlkörper, insbesondere in Verbindung mit einer Applikation eines Hochvolt-Heizelements, realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: leistungselektronische Einrichtung
2: Leistungselektronik
3: Temperierungseinrichtung
4: Aluminiumkühlkörper
5: Heizeinrichtung
6: Aluminiumwandung
7: Kühlkanal
8: Innenseite
9: Außenseite
10: Eloxalschicht
11: Heizschicht
12: Kunststoffsubstrat
13: Zwischenschicht
14: Kunststoffschicht
15: Abdeckung
16: Kraftfahrzeug
17: Traktionsbatterie
18: Fondsitzbank

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2004002743 A1 [0003]
DE 102019133417 A1 [0004]
DE 102018213546 A1 [0005]

Claims

Temperierungseinrichtung (3), aufweisend ein elektrisches Heizelement (5, 11) und einen Aluminiumkühlkörper (4), der eine Innenseite (2) zur Anordnung an einem zu temperierenden Bauteil (2) und eine dieser gegenüberliegende Außenseite (9) aufweist, wobei diese Außenseite (9) des Aluminiumkühlkörpers (4) zum Ausbilden einer Eloxalschicht (10) eloxiert und das elektrische Heizelement (5, 11) auf dieser Außenseite angeordnet ist, sodass es durch die Eloxalschicht (10) elektrisch von der Innenseite (8) des Aluminiumkühlkörpers (4) elektrisch isoliert ist.
Temperierungseinrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (11) als elektrisches Widerstandsheizelement ausgestaltet ist, insbesondere als PTC-Heizelement (11), insbesondere als PTC-Heizfolie (11).
Temperierungseinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eloxalschicht (10) durch Harteloxieren gebildet ist.
Temperierungseinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eloxalschicht (10) oberflächenverdichtet ist, insbesondere mittels Heißwasserverdichten.
Temperierungseinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Heizelement (11) und der Außenseite (9) des Aluminiumkühlkörpers (4) eine elektrisch isolierende Kunststoffschicht (12, 14) angeordnet ist.
Temperierungseinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Heizelement (11) und der Außenseite (9) des Aluminiumkühlkörpers (4) eine wärmeleitfähige metallische Zwischenschicht (13), insbesondere aus einem Aluminiummaterial, angeordnet ist, insbesondere zwischen zwei elektrisch isolierenden Isolationsschichten (12, 14), welche die metallische Zwischenschicht (13) einschließen und ebenfalls zwischen dem Heizelement (11) und der Außenseite (9) des Aluminiumkühlkörpers (4) angeordnet sind.
Temperierungseinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer von dem Aluminiumkühlkörper (4) abgewandten Außenseite des Heizelements (11) eine thermisch und elektrisch isolierende Abdeckung (15) angeordnet ist, insbesondere mit einer Dicke, die größer ist als ein Abstand zwischen dem Heizelement (11) und dem Aluminiumkühlkörper (4).
Leistungselektronische Einrichtung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (16), aufweisend wenigstens ein leistungselektronisches Bauteil (2) und eine zu dessen Temperierung angeordnete Temperierungseinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug (16), aufweisend eine leistungselektronische Einrichtung (1) nach Anspruch 8 und/oder ein im Betrieb zu temperierendes Bauteil (2) und eine zu dessen Temperierung angeordnete Temperierungseinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Kraftfahrzeug (16) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (16) eine Traktionsbatterie (17) und eine daran elektrisch angeschlossene leistungselektronische Einrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei die leistungselektronische Einrichtung (1) insbesondere zwischen der Traktionsbatterie (17) und einer Sitzeinrichtung (18) im Fond des Kraftfahrzeugs (16) angeordnet ist.