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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pulswechselrichter, umfassend eine Mehrzahl von Leistungsmodulen, zumindest eine Kondensatorbaugruppe mit einer Mehrzahl von Kondensatoren, zumindest einen Leistungsmodulkühlkanal, der dazu ausgebildet ist, von einem Kühlfluid durchströmt zu werden, um die Leistungsmodule zu kühlen, zumindest einen Kondensatorkühlkanal, der dazu ausgebildet ist, von einem Kühlfluid durchströmt zu werden, um die Kondensatoren zu kühlen. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Pulswechselrichters.
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Bei einem Pulswechselrichter handelt es sich um ein leistungselektronisches Bauteil, welches zum Beispiel in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs verwendet wird. Ein derartiger Pulswechselrichter dient dem Zweck, eine Gleichspannung einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs in eine frequenzvariable Spannung umzuformen, mittels derer zumindest eine elektrische Maschine des Elektrofahrzeugs betrieben werden kann.
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Während des Betriebs des Pulswechselrichters ist es erforderlich, die Leistungsmodule sowie die Kondensatoren der Kondensatorbaugruppe wirksam zu kühlen. Sowohl den Leistungsmodulen als auch der Kondensatorbaugruppe sind daher jeweils ein oder mehrere Kühlkanäle zugeordnet, die während des Betriebs des Pulswechselrichters von einem Kühlfluid, wie zum Beispiel Öl oder Wasser, durchströmt werden, um die Leistungsmodule sowie die Kondensatoren zu kühlen. Bei den bislang aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erfolgt eine Kühlung der Leistungsmodule der Reihe nach. Daher ist das Kühlfluid beim ersten durchströmten Leistungsmodul am kältesten und beim zuletzt durchströmten Leistungsmodul am wärmsten. In analoger Weise werden auch die Kondensatoren der Kondensatorbaugruppe der Reihe nach gekühlt. Die Durchströmung des zumindest einen Leistungsmodulkühlkanals mit dem Kühlfluid kann dabei entgegensetzt zur Durchströmung des zumindest einen Kondensatorkühlkanals gerichtet sein.
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Aus diesem vorstehend erläuterten Kühlprinzip resultieren mechanische Spannungen im Bereich der Kühlkanäle, die eine wirksame Abdichtung erschweren. Da zudem alle Leistungsmodule als Gleichteile ausgebildet sind, erfährt nur das letzte Leistungsmodul in einer Modulreihe die höchste thermische Belastung. Alle übrigen Leistungsmodule sind somit thermisch überdimensioniert. Ferner müssen die Leistungsmodule für einen relativ großen Temperaturbereich ausgelegt werden, da diese unterschiedlichen Kühlfluidtemperaturen ausgesetzt sind.
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Die
EP 1 858 313 B1 offenbart ein Fahrzeug mit einem Elektromotor und einem damit verbundenen wassergekühlten Leistungsumrichter, dessen Leistungsmodule und Kondensatoren in einem Metallgehäuse untergebracht sind. Ein Kühlkörper des Umrichters definiert parallel zueinander verlaufende Kanäle mit entsprechenden Öffnungen. Jedes der Leistungsmodule besteht aus einer metallischen Grundplatte, die einerseits die Halbleiterchips und andererseits eine Lamelle zur Wärmeableitung trägt.
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Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, einen Pulswechselrichter der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Kühlen eines Pulswechselrichters zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlung der Leistungsmodule sowie der Kondensatoren der Kondensatorbaugruppe erreicht werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefern ein Pulswechselrichter der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Kühlen eines Pulswechselrichters mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßer Pulswechselrichter zeichnet sich dadurch aus, dass der Pulswechselrichter eine Mehrzahl von Verbindungskanälen aufweist, die sich zwischen dem zumindest einen Leistungsmodulkühlkanal und dem zumindest einen Kondensatorkühlkanal erstrecken und die dazu ausgebildet sind, von dem Kühlfluid durchströmt zu werden. Die erfindungsmäße Lösung stellt in vorteilhafter Weise eine verbesserte Kühlung der Leistungsmodule sowie der Kondensatoren der Kondensatorbaugruppe zur Verfügung.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Verbindungskanäle rohrförmig ausgebildet sind. Derartige rohrförmige Verbindungskanäle lassen sich sehr einfach und kostengünstig herstellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Verbindungskanäle innerhalb der Kondensatorbaugruppe angeordnet sind. Dadurch kann eine besonders wirksame Kühlung der Kondensatoren der Kondensatorbaugruppe erreicht werden.
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In einer Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Kondensatoren zylindrisch geformt sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Kondensatoren der Kondensatorbaugruppe in mindestens zwei Kondensatorreihen nebeneinander angeordnet sind. Jede der Kondensatorreihen weist mindestens zwei Kondensatoren auf.
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Vorzugsweise können zwischen den Kondensatorreihen mehrere Zwischenräume ausgebildet sein, in denen jeweils einer der Verbindungskanäle ausgebildet ist. Dadurch ergeben sich entsprechende Package-Vorteile.
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Gemäß Anspruch 7 ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen eines Pulswechselrichters nach einem der Ansprüche 1 bis 6 vorgesehen, dass das Kühlfluid in dem zumindest einen Kondensatorkühlkanal der Kondensatorbaugruppe gesammelt wird und nachfolgend durch die Verbindungskanäle zu dem mindestens einen Leistungsmodulkühlkanal transportiert wird und diesen zur Kühlung der Leistungsmodule durchströmt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kühlreihenfolge, bei der zuerst die Kondensatoren der Kondensatorbaugruppe und anschließend die Leistungsmodule gekühlt werden, geht von der Erkenntnis aus, dass der Kühlbedarf der Kondensatoren erheblich geringer ist als der Kühlbedarf der Leistungsmodule. Unter thermischen Aspekten ist es somit im Hinblick auf die Erwärmung des Kühlfluids vorteilhafter, zunächst die Kondensatoren der Kondensatorbaugruppe und erst danach die Leistungsmodule zu kühlen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung besteht die Möglichkeit, dass das Kühlfluid nach der Durchströmung des Leistungsmodulkühlkanals weitere Bauteile, insbesondere Stromschienen, kühlt. Dadurch wird die Kühleffizienz in vorteilhafter Weise weiter erhöht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass als Kühlfluid ein Kühlöl verwendet wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende 1, die einen Schnitt durch einen Pulswechselrichter 1 zeigt.
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Bei diesem Pulswechselrichter 1 handelt es sich um ein leistungselektronisches Bauteil, welches zum Beispiel in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs eingesetzt wird. Ein derartiger Pulswechselrichter dient dem Zweck, eine Gleichspannung einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs in eine frequenzvariable Spannung umzuformen, mittels derer zumindest eine elektrische Maschine des Elektrofahrzeugs betrieben werden kann.
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Der Pulswechselrichter 1 umfasst eine Mehrzahl von Leistungsmodulen 2a-2f, die in zumindest einer Modulreihe hintereinander angeordnet sind, sowie zumindest eine Kondensatorbaugruppe 3 mit einer Mehrzahl von Kondensatoren 4a-4f. Vorliegend sind insgesamt sechs Leistungsmodule 2a-2f in einer ersten Richtung (x-Richtung) hintereinander angeordnet.
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Die Kondensatoren 4a-4f sind zylindrisch geformt und unterhalb der Leistungsmodule 2a-2f angeordnet. Vorzugsweise sind die Kondensatoren 4a-4f in mehreren zueinander benachbarten Kondensatorreihen - also in der ersten Richtung (x-Richtung) hintereinander und in einer zweiten Richtung, die sich senkrecht zur ersten Richtung und damit in die Zeichenebene von 1 hinein erstreckt, nebeneinander - angeordnet. Beispielsweise kann die Kondensatorbaugruppe 3 drei zueinander benachbarte Kondensatorreihen mit jeweils sechs Kondensatoren 4a-4f aufweisen.
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Der Pulswechselrichter 1 weist ferner zumindest einen Leistungsmodulkühlkanal 5 auf, der dazu ausgebildet ist, von einem Kühlfluid durchströmt zu werden, um die Leistungsmodule 2a-2f zu kühlen. Ferner weist der Pulswechselrichter 1 zumindest einen Kondensatorkühlkanal 6 auf, der dazu ausgebildet ist, von einem Kühlfluid durchströmt zu werden, um die Kondensatoren 4a-4f zu kühlen.
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Dadurch, dass die Kondensatoren 4a-4f der Kondensatorbaugruppe 3 zylindrisch geformt sind und in mehreren Kondensatorreihen angeordnet sind, ergeben sich entsprechende Zwischenräume, in denen vorzugsweise jeweils einer der Verbindungskanäle 7a-7g ausgebildet ist. Die Verbindungskanäle 7a-7g erstrecken sich somit innerhalb der Kondensatorbaugruppe 3 zwischen dem zumindest einen Leistungsmodulkühlkanal 5 und dem zumindest einen Kondensatorkühlkanal 6, so dass entsprechende Fluidverbindungen zwischen diesen Kanälen zur Verfügung gestellt werden. Die Verbindungskanäle 7a-7g sind vorzugsweise rohrförmig ausgebildet. Dadurch wird erreicht, dass die Verbindungskanäle 7a-7g sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
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Die Fluidströmung des Kühlfluids, bei dem es sich insbesondere um ein Kühlöl handeln kann, zur Kühlung des Pulswechselrichters 1 erfolgt in folgender Weise: Im Kondensatorkühlkanal 6 der Kondensatorbaugruppe 3 wird zunächst das Kühlfluid gesammelt. Durch die Verbindungskanäle 7a-7g wird das Kühlfluid nachfolgend zum Leistungsmodulkühlkanal 5 der Leistungsmodule 2a-2f transportiert. Da sich die Verbindungskanäle 7a-7g im Bereich der zylindrischen Kondensatoren 4a-4f der Kondensatorbaugruppe 3 befinden, kann somit auch die gesamte Kondensatorbaugruppe 3 sehr effizient gekühlt werden. Bei der Durchströmung des Leistungsmodulkühlkanals 5 kühlt das Kühlfluid die Leistungsmodule 2a-2f ebenfalls sehr effizient. Nachfolgend verlässt das Kühlfluid den Leistungsmodulkühlkanal 5 des Pulswechselrichters 1 und kann nachfolgend zum Beispiel noch weitere Bauteile, wie zum Beispiel Stromschienen, kühlen.
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Die hier vorgeschlagene Kühlreihenfolge, bei der zuerst die Kondensatoren 4a-4f der Kondensatorbaugruppe 3 und anschließend die Leistungsmodule 2a-2f gekühlt werden, geht von der Erkenntnis aus, dass der Kühlbedarf der Kondensatoren 4a-4f erheblich geringer ist als der Kühlbedarf der Leistungsmodule 2a-2f. Unter thermischen Aspekten ist es somit im Hinblick auf die Erwärmung des Kühlfluids vorteilhafter, zunächst die Kondensatoren 4a-4f der Kondensatorbaugruppe 3 und erst anschließend die Leistungsmodule 2a-2f zu kühlen.
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Durch die hier erläuterte Art der Kühlung der Kondensatoren 4a-4f der Kondensatorbaugruppe 3 und der Leistungsmodule 2a-2f werden in vorteilhafter Weise alle Leistungsmodule 2a-2f thermisch gleich beziehungsweise zumindest nahezu gleich belastet und können somit für einen deutlich engeren Temperaturbereich ausgelegt werden. Da die thermische Belastung über die gesamte Länge der Kühlkanäle, insbesondere des Leistungsmodulkühlkanals 5, hinweg gleichmäßig erfolgt, können die mechanischen Spannungen, die sich im Stand der Technik durch große Temperaturgradienten innerhalb des Leistungsmodulkühlkanals 5 ergeben, deutlich reduziert werden. Dadurch wird erreicht, dass das Dichtungskonzept und die Montage des Leistungsmodulkühlkanals 5 wie auch des Kondensatorkühlkanals 6 deutlich vereinfacht werden können. Daraus resultieren entsprechende Kostenvorteile bei der Herstellung des Pulswechselrichters 1.
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Da die Ölversorgung des Leistungsmodulkühlkanals 5 der Leistungsmodule 2a-2f durch die Kondensatorbaugruppe 3 umgesetzt wird, kann dadurch ohne zusätzlichen Aufwand auch die Kühlung der Kondensatoren 4a-4f deutlich verbessert werden. Da die Fluidführung direkt durch die Verbindungskanäle 7a-7g zwischen den Kondensatoren 4a-4f innerhalb der Kondensatorbaugruppe 3 erfolgt, sind darüber hinaus in vorteilhafter Weise keine externen Kühlfluidleitungen erforderlich, so dass sich entsprechende Package-Vorteile ergeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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