DE102022206296A1

DE102022206296A1 - Fahrzeugkühlsystem mit kombinierter motor- und wechselrichterkühlung

Info

Publication number: DE102022206296A1
Application number: DE102022206296.5A
Authority: DE
Inventors: Huafeng Quan; Wei Liu
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2023-08-03

Abstract

Ein Kühlsystem (18) für ein Fahrzeug (10) umfasst eine Motorkühlkomponente (28) zum Kühlen eines Elektromotors (12) des Fahrzeugs (10); ein Kühlelement (50) zum Kühlen eines Wechselrichters (14) zum Versorgen des Elektromotors (12) mit einem Wechselstrom; und einen Flüssigkeitskühlkreislauf (22) zum Transportieren einer Kühlflüssigkeit (32) durch die Motorkühlkomponente (28) und das Kühlelement (50) des Wechselrichters (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Fahrzeug, ein Elektrofahrzeug und ein Wechselrichtermodul für das Elektrofahrzeug.
In Kraftfahrzeuganwendungen mit elektrischen Antrieben, wie z. B. Elektroautos und -lastwagen, werden Wechselrichtermodule für den Zusammenbau von Wechselrichtern verwendet, die den Wechselstrom, der zum Antreiben eines Elektromotors benötigt wird, aus einem Gleichstrom erzeugen, der von einer elektrischen Batterie bereitgestellt werden kann. Zur Zeit umfassen solche Leistungshalbleitermodule Si-Halbleiter. Es wird jedoch aufgrund deren höherer Betriebsspannungen und der höheren möglichen Schaltfrequenzen, die zu geringeren Verlusten und einer effizienteren Anwendung der Leistungshalbleitermodule führen können, auch die Verwendung von Halbleitern mit hohem Bandabstand erwogen. Solche Leistungshalbleitermodule auf Grundlage von Halbleitern mit hohem Bandabstand können von neuen Modulkonstruktionen profitieren, da höhere Schaltfrequenzen in der Regel zu anderen und/oder höheren elektromagnetischen Strahlungen und Verlusten führen. Außerdem kann ein Betrieb bei höheren Spannungen bessere lokale Kühlkapazitäten erfordern.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, das Kühlsystem eines Elektrofahrzeugs zu verbessern, insbesondere die Kühlkapazitäten des Wechselrichters zu verbessern. Dieses Ziel wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Fahrzeug. Das Fahrzeug kann ein Elektrofahrzeug sein, d.h. ein Fahrzeug, das mittels eines Elektromotors angetrieben wird. Elektrofahrzeuge umfassen auch Hybridfahrzeuge, die zusätzlich einen Verbrennungsmotor zum Antreiben des Fahrzeugs umfassen können. Ein Fahrzeug kann ein Straßenfahrzeug sein. Ein Fahrzeug kann ein Auto, ein Lastauto, ein Lastkraftwagen, ein Motorrad, ein Bus, d. h. jegliches Fahrzeug mit Radantrieb sein.
Bei einem Kühlsystem kann es sich um Vorrichtungen des Fahrzeugs handeln, die zum Kühlen von Komponenten des Fahrzeugs, wie dem einen oder den mehreren Motoren, insbesondere dem Elektromotor, einem den Elektromotor versorgenden Wechselrichter usw., ausgebildet sind. Hier und nachstehend wird unter Kühlen der Prozess der Wärmeableitung von einer Komponente verstanden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Kühlsystem: eine Motorkühlkomponente zum Kühlen eines Elektromotors des Fahrzeugs; ein Kühlelement zum Kühlen eines Wechselrichters zum Versorgen des Elektromotors mit einem Wechselstrom; und einen Flüssigkeitskühlkreislauf zum Transportieren einer Kühlflüssigkeit durch die Motorkühlkomponente und das Kühlelement des Wechselrichters.
Mit anderen Worten werden der gleiche Kühlkreislauf und/oder die gleiche Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Elektromotors und des Wechselrichters verwendet. Auf diese Weise kann die Anzahl von Teilen des Kühlsystems reduziert und/oder das Kühlen des Wechselrichters verstärkt werden, der mit einem weiteren, zweiten Kühlkreislauf gekühlt werden kann, der auf einer anderen Kühltechnologie basieren kann.
Bei der Motorkühlkomponente kann es sich um Teile des Elektromotors handeln, die zum Kühlen des Elektromotors verwendet werden, wie z. B. einen Einlass und Auslass für die Kühlflüssigkeit, Leitungen für die Kühlflüssigkeit in dem Elektromotor, einen Wärmetauscher in dem Motor usw.
Analog dazu kann das Kühlelement des Wechselrichters ein Teil des Wechselrichters sein, der zum Kühlen des Wechselrichters verwendet wird, wie z. B. ein Einlass und Auslass für die Kühlflüssigkeit, Leitungen für die Kühlflüssigkeit in dem Wechselrichter, ein Wärmetauscher in dem Wechselrichter usw. Insbesondere kann der Wechselrichter aus Wechselrichtermodulen zusammengesetzt sein und kann das Kühlelement ein Teil eines der Wechselrichtermodule sein. In diesem Fall können das Kühlsystem und insbesondere der Kühlkreislauf eine Mehrzahl von Kühlelementen umfassen, wobei jedes Wechselrichtermodul ein Kühlelement umfasst.
Der Flüssigkeitskühlkreislauf kann ferner Leitungen umfassen, die die Kühlkomponente und das eine oder die mehreren Kühlelemente miteinander verbinden, sowie optional eine Pumpe und einen Wärmetauscher zum Kühlen der Kühlflüssigkeit.
Es ist möglich, dass das Kühlelement des Wechselrichters und die Motorkühlkomponente in dem Kühlkreislauf in Reihe geschaltet sind. Die Kühlflüssigkeit kann nach dem Abkühlen, z. B. durch einen Wärmetauscher, zuerst das Kühlelement des Wechselrichters durchlaufen und dann die Kühlkomponente des Elektromotors durchlaufen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kühlflüssigkeit eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit. Eine nicht leitende Kühlflüssigkeit eröffnet die Möglichkeit, dass in dem Wechselrichter keine galvanische Trennung zwischen dem Kühlelement und den elektrischen Komponenten des Wechselrichters, wie z. B. den Halbleiterchips und deren Verbindung miteinander, erforderlich ist. Das Kühlelement kann direkt an den Halbleiterchips angebracht sein. Auch ist keine galvanische Trennung zwischen der Kühlkomponente und Teilen des Elektromotors, die ein elektrisches Potenzial haben, erforderlich. Die Kühlflüssigkeit kann z. B. in direktem Kontakt mit den Statorwicklungen des Elektromotors sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kühlflüssigkeit Öl, das elektrisch nicht leitend ist. Die Verwendung von Öl als Kühlflüssigkeit hat den Vorteil, dass es in direkten Kontakt mit metallischen Komponenten des Elektromotors, wie dem Rotor, dem Stator, den Statorwicklungen usw. kommen kann, ohne dass eine Gefahr von Korrosion besteht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Elektromotor einen Rotor und einen Stator, die direkt von der Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Direkt kann hier bedeuten, dass die Kühlflüssigkeit in direktem Kontakt mit dem Rotor und dem Stator ist. Der Elektromotor kann direkt von der Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Es kann z. B. ein Kanal in der Rotorachse vorhanden sein, durch den die Kühlflüssigkeit transportiert wird. Die Kühlflüssigkeit kann auch aus dem Rotor in den Statorwicklungen austreten und auf die Statorwicklungen gesprüht werden. Es können auch Kühlkanäle in dem Stator vorhanden sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kühlsystem einen zweiten Kühlkreislauf umfassen, der von dem vorstehend beschriebenen Kühlkreislauf getrennt und/oder abgekoppelt ist. In diesem Fall kann der Flüssigkeitskühlkreislauf als ein erster Kühlkreislauf, die Kühlflüssigkeit als eine erste Kühlflüssigkeit und das Wechselrichterkühlelement als ein erstes Kühlelement betrachtet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Kühlsystem ferner: ein zweites Kühlelement zum Kühlen des Wechselrichters und einen zweiten Flüssigkeitskühlkreislauf zum Transportieren einer zweiten Kühlflüssigkeit durch das zweite Kühlelement des Wechselrichters. Mit einem zweiten Kühlkreislauf können die Kühlkapazitäten des Wechselrichters verstärkt werden und/oder kann eine zweite Kühlflüssigkeit, die sich von der ersten Kühlflüssigkeit unterscheidet, verwendet werden. Eine andere Kühlflüssigkeit kann wirtschaftlicher sein und/oder andere physikalische Eigenschaften haben, die zum Kühlen des Wechselrichters vorteilhaft sind, z. B. Wärmeübertragungsfähigkeit, Siedepunkt usw.
Das zweite Kühlelement des Wechselrichters kann ein Teil des Wechselrichters sein, der zum Kühlen des Wechselrichters verwendet wird, wie z. B. ein Einlass und Auslass für die zweite Kühlflüssigkeit, Leitungen für die zweite Kühlflüssigkeit in dem Wechselrichter, ein Wärmetauscher in dem Wechselrichter, usw. Wie bereits erwähnt, kann der Wechselrichter aus Wechselrichtermodulen zusammengesetzt sein und kann das zweite Kühlelement ein Teil eines der Wechselrichtermodule sein. In diesem Fall kann der zweite Flüssigkeitskühlkreislauf eine Mehrzahl von zweiten Kühlelementen umfassen, wobei jedes Wechselrichtermodul ein zweites Kühlelement umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Kühlflüssigkeit eine elektrisch leitende Flüssigkeit. Dies kann zu einem wirtschaftlicheren Kühlsystem führen, jedoch müssen das eine oder die mehreren zweiten Kühlelemente des Wechselrichters möglicherweise bezüglich des elektrischen Potenzials galvanisch von den Komponenten des Wechselrichters getrennt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Kühlflüssigkeit Wasser. Wasser kann leicht austauschbar sein und hat gute Wärmeübertragungseigenschaften, wie z. B. einen hohen Wärmekoeffizienten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der der Wechselrichter mindestens ein Wechselrichtermodul, wobei das Wechselrichtermodul ein Substrat mit Halbleiterchips umfasst. Der Wechselrichter kann aus einem oder mehreren Wechselrichtermodulen zusammengesetzt sein. Der Wechselrichter kann eine Mehrzahl von Wechselrichtermodulen umfassen. Beispielsweise kann jedes Wechselrichtermodul eine Halbbrücke zum Erzeugen eines Phasenstroms des dem Elektromotor zuzuführenden Wechselstroms bereitstellen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Wechselrichtermodul das erste Kühlelement zum Kühlen der Halbleiterchips und ist das erste Kühlelement in elektrischem Kontakt mit den Halbleiterchips. Beispielsweise ist das erste Kühlelement an einer Seite der Halbleiterchips, die auf der anderen Seite an das Substrat gebondet sein können, angebracht und/oder daran gebondet. Das Kühlelement kann einen Metallkörper haben, der in elektrischem Kontakt mit den Chips ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Wechselrichtermodul das zweite Kühlelement zum Kühlen der Halbleiterchips und ist das zweite Kühlelement galvanisch von den Halbleiterchips getrennt. Beispielsweise ist das Kühlelement an einer gegenüberliegenden Seite des Substrats angebracht und/oder daran gebondet, die der Seite gegenüberliegt, an der die Halbleiterchips an das Substrat gebondet sind. Die gegenüberliegende Seite des Substrats kann galvanisch von den Halbleiterchips getrennt sein.
Im Fall einer Mehrzahl von Wechselrichtermodulen kann es für jedes Wechselrichtermodul ein erstes Kühlelement und ein zweites Kühlelement geben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug, d.h. ein Fahrzeug, das von einem Elektromotor angetrieben wird. Wie vorstehend beschrieben, umfassen Elektrofahrzeuge auch Hybridfahrzeuge, die zusätzlich einen Verbrennungsmotor zum Antreiben des Fahrzeugs umfassen können. Das Fahrzeug umfasst einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs, einen Wechselrichter zum Versorgen des Elektromotors mit einem Wechselstrom und ein Kühlsystem. Das Kühlsystem ist wie vorstehend beschrieben ausgebildet. Auch der Elektromotor und/oder der Wechselrichter können wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Wechselrichtermodul für einen Wechselrichter eines Fahrzeugs, wie vorstehend beschrieben. Ein Wechselrichtermodul ist im Allgemeinen eine Vorrichtung zum mechanischen und elektrischen Verbinden von Halbleiterchips miteinander. In dem vorliegenden Kontext umfasst das Wechselrichtermodul auch Komponenten zum Kühlen des Wechselrichtermoduls, wie z. B. das erste Kühlelement und/oder das zweite Kühlelement. Das Wechselrichtermodul kann als ein Leistungshalbleitermodul betrachtet werden, das Leistungshalbleiter umfasst. Hier und nachstehend bezieht sich der Begriff „Leistung“ auf Vorrichtungen und Elemente, die für die Verarbeitung von Spannungen von mehr als 100 V und/oder mehr als 10 A ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Wechselrichtermodul ein Substrat mit Halbleiterchips, die durch das Substrat elektrisch miteinander verbunden sind, und ein Kühlelement, das an den Halbleiterchips angebracht ist und in elektrischem Kontakt mit den Halbleiterchips ist, wobei das Kühlelement zum Aufnehmen einer elektrisch nicht leitenden Kühlflüssigkeit, z. B. wie vorstehend beschrieben, ausgebildet ist. Das Substrat kann eine oder mehrere Metallisierungsschichten und eine oder mehrere Trennschichten umfassen. Die Halbleiterchips können an die eine oder die mehreren Metallisierungsschichten gebondet sein, die dazu strukturiert sind, eine Schaltung zu erzeugen, die die Halbleiterchips miteinander verbindet. Eine solche Schaltung kann eine Halbbrücke sein.
Das Substrat kann eine gedruckte Leiterplatte, ein isoliertes Metallsubstrat oder ein DBC(Direct Bonded Copper)-Substrat sein. Es ist auch ein Substrat auf Grundlage eines Leiterrahmens möglich.
Jeder Halbleiterchip kann ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse, das aus Kunststoff bestehen kann, umfassen, in dem ein Halbleiter-Die untergebracht ist und das mit Elektroden des Halbleiterchips, der an dem Gehäuse vorgesehen ist, elektrisch verbunden ist. Das Anbringen bzw. Bonden des Halbleiterchips an eine(r) weitere(n) Komponente, wie z.B. ein Kühlelement, kann bedeuten, dass das Gehäuse und/oder die Elektroden an der weiteren Komponente angebracht und/oder daran gebondet sind.
Die Halbleiterchips können Leistungshalbleiterschalter, wie Thyristoren oder Transistoren, bereitstellen. Es ist auch möglich, dass die Halbleiterchips eine oder mehrere Leistungsdioden umfassen. Die Halbleiterchips können auf einem Halbleiter mit einem breiten Bandabstand, wie z. B. GaN und SiC, basieren.
Das Kühlelement kann einen Körper umfassen, der aus Metall sein kann und in dessen Inneren sich einer oder mehrere Kühlkanäle befinden. Der/die Kühlkanal(e) kann/können mit einem Einlass und einem Auslass des Kühlelements verbunden sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Kühlelement an Rückseiten der Halbleiterchips angebracht, die mit einer Vorderseite an das Substrat gebondet sind. Der Körper des Kühlelements, der elektrisch leitend sein kann, kann in elektrischem Kontakt mit den Halbleiterchips sein. Da das Kühlelement einfach an den Halbleiterchips angebracht wird, kann der Herstellungsprozess des Wechselrichtermoduls einfacher sein und ist auch die thermische Verbindung besser im Vergleich zu einem Wechselrichtermodul mit einem galvanisch getrennten Kühlelement auf der Seite der Halbleiterchips.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden das Substrat mit den Halbleiterchips und das Kühlelement zusammen in ein Formmaterial gegossen. Auf diese Weise können diese Komponenten mechanisch verbunden werden, während ein Raum zwischen den Komponenten einen höheren elektrischen Widerstand aufnehmen kann. Da das Kühlelement in direktem Kontakt mit den Halbleiterchips ist, ist es nicht notwendig, einen Wärmeübertragungskoeffizienten des Formmaterials zu berücksichtigen.
Wie vorstehend beschrieben, kann das Kühlsystem einen zweiten Kühlkreislauf haben, der unabhängig und/oder abgekoppelt von dem vorstehend erwähnten Kühlkreislauf ist, der dann als ein erster Kühlkreislauf betrachtet werden kann. In diesem Fall kann das Kühlelement als ein erstes Kühlelement betrachtet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Wechselrichtermodul ferner: ein zweites Kühlelement, das an dem Substrat angebracht ist und galvanisch von den Halbleiterchips getrennt ist, wobei das zweite Kühlelement zum Aufnehmen einer elektrisch leitenden Kühlflüssigkeit, z. B. wie vorstehend beschrieben, ausgebildet ist.
Das zweite Kühlelement kann einen Körper umfassen, der aus Metall gemacht sein kann und in dessen Inneren sich einer oder mehrere Kühlkanäle befinden. Der/die Kühlkanal(e) kann/können mit einem Einlass und einem Auslass des Kühlelements verbunden sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Halbleiterchips zwischen dem Substrat und dem ersten Kühlelement angeordnet, das in dem Fall das „Kühlelement“ ist, in dem nur der erste Kühlkreislauf vorhanden ist. Das erste Kühlelement kann direkt an den Halbleiterchips platziert sein, so dass eine direkte Wärmeübertragung zwischen den Halbleiterchips und den ersten Kühlelementen stattfindet. Es kann eine Treiberplatine zum Steuern der Halbleiterchips auf dem ersten Kühlelement platziert sein. Das erste Kühlelement kann zwischen der Treiberplatine und den Halbleiterchips angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat zwischen den Halbleiterchips und dem zweiten Kühlelement angeordnet. Das zweite Kühlelement kann gegenüber den Halbleiterchips angeordnet sein. Dies eröffnet die Möglichkeit, das zweite Kühlelement galvanisch von den Halbleiterchips zu trennen. Es kann jedoch sein, dass das Substrat eine Einrichtung zur galvanischen Trennung aufweisen muss, wenn das zweite Kühlelement galvanisch von den Halbleiterchips getrennt werden sollte.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und erklärt. Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

1 zeigt ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Wechselrichtermodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugssymbole und deren Bedeutungen sind in der nachstehenden Liste der Bezugssymbole in zusammengefasster Form aufgeführt. Gleiche Teile sind in den Figuren grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Fahrzeug 10, wie z. B. ein Auto, einen Lastwagen, ein Motorrad usw., das einen Elektromotor 12 umfasst, der von einem Wechselrichter 14 mit elektrischer Energie von einer Batterie 16 versorgt wird. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Elektro- oder Hybridfahrzeug handeln. Die elektrische Batterie 16 kann z. B. an einer Ladestation aufgeladen werden und/oder während einer Rekuperationsphase des Fahrzeugs 10 von dem Elektromotor 12 aufgeladen werden. Das Fahrzeug kann auch einen Verbrennungsmotor zum Antreiben des Fahrzeugs 10 umfassen.
Zum Antreiben des Fahrzeugs wandelt der Wechselrichter 14 einen Gleichstrom von der Batterie 16 in einen Wechselstrom um, der dem Elektromotor 12 zugeführt wird.
Die mechanische Energie von dem Elektromotor 12 wird zum Antreiben des Fahrzeugs 10, insbesondere der Räder, verwendet.
Der Wechselrichter 14 umfasst eines oder mehrere Wechselrichtermodule 20. Beispielsweise wandelt ein Wechselrichtermodul 20 den Gleichstrom von der Batterie 16 in eine Phase des Wechselstroms um, der dem Elektromotor 12 zugeführt wird. Es können jedoch auch andere Topologien verwendet werden.
1 zeigt ferner ein Kühlsystem 18 des Fahrzeugs 10, das aus einem ersten Flüssigkeitskühlkreislauf 22 und einem optionalen zweiten Flüssigkeitskühlkreislauf 24 gebildet ist. Es kann sein, dass der Wechselrichter 14 nur von dem ersten Kühlkreislauf 22 gekühlt wird.
Der erste Flüssigkeitskühlkreislauf 22 kann als ein Motorkühlkreislauf und/oder ein Motorkühlsystem betrachtet werden, in den bzw. das der Wechselrichter 14 und/oder seine Kühlelemente integriert sind.
Der erste Flüssigkeitskühlkreislauf 22 umfasst eine erste Pumpe 26, einen ersten Wärmetauscher 27, erste Kühlelemente (siehe 2) des Wechselrichters 14, eine Kühlkomponente 28 des Elektromotors 12 und Leitungen 30, die diese Komponenten miteinander verbinden.
Der erste Wärmetauscher 27 kann ein Kühler sein, der von einem Luftstrom gekühlt wird. Die Motorkühlkomponente 28 kann ein Teil des Elektromotors 12 sein, der zum Kühlen des Elektromotors 12 verwendet wird, wie z. B. ein Einlass und ein Auslass für Kühlflüssigkeit, Leitungen für Kühlflüssigkeit in dem Elektromotor 12, ein Wärmetauscher in dem Motor, usw.
Eine erste Kühlflüssigkeit 32 wird von der ersten Pumpe 26 durch den ersten Flüssigkeitskühlkreislauf 22 transportiert. Der Wärmetauscher, der Wechselrichter 14 und insbesondere dessen erste Kühlelemente und die Kühlkomponente 28 des Elektromotors 12 sind in Reihe geschaltet. Auf diese Weise durchläuft die erste Kühlflüssigkeit 32 nach deren Kühlung durch den ersten Wärmetauscher 27 zuerst den Wechselrichter 14 und/oder die ersten Kühlelemente und danach den Elektromotor 12 und/oder die Kühlkomponente 28. Die ersten Kühlelemente können in dem ersten Flüssigkeitskühlkreislauf 22 parallel geschaltet sein.
Der erste Flüssigkeitskühlkreislauf 22 kann auf einer nicht leitenden Kühlflüssigkeit und insbesondere auf Öl als erster Kühlflüssigkeit 32 basieren. Mit Öl als erster Kühlflüssigkeit 32 kann der Elektromotor 12 direkt mit der ersten Kühlflüssigkeit 32 gekühlt werden.
Der Elektromotor 12 umfasst einen Rotor 34 und einen Stator 35. In der Achse des Rotors 34 kann z. B. ein Kühlkanal vorhanden sein, durch den die erste Kühlflüssigkeit 32 transportiert wird. Die erste Kühlflüssigkeit 32 kann auch aus dem Rotor 34 in den Statorwicklungen des Stators 35 austreten und kann auf die Statorwicklungen gesprüht werden. In dem Stator 35 können auch Kühlkanäle vorhanden sein. Die Motorkühlkomponente 28 kann diese Kühlkanäle umfassen.
Der Elektromotor 12 kann ein ölgekühlter Motor sein und der Kühlkreislauf 22 und/oder das Motorkühlsystem können auch zum Kühlen des Wechselrichters 14 verwendet werden.
Der zweite Flüssigkeitskühlkreislauf 24 kann als ein Wechselrichterkühlsystem betrachtet werden, das ausschließlich zum Kühlen des Wechselrichters 14 vorgesehen ist.
Der zweite Flüssigkeitskühlkreislauf 24 umfasst eine zweite Pumpe 36, einen zweiten Wärmetauscher 37, zweite Kühlelemente (siehe 2) des Wechselrichters 14 und Leitungen 38, die diese Komponenten miteinander verbinden. Der zweite Wärmetauscher 37 kann ein Kühler sein, der von einem Luftstrom gekühlt wird.
Eine zweite Kühlflüssigkeit 40 wird von der zweiten Pumpe 36 durch den zweiten Flüssigkeitskühlkreislauf 24 transportiert. Der zweite Wärmetauscher 37, der Wechselrichter 14 und insbesondere dessen zweite Kühlelemente sind in Reihe geschaltet. Auf diese Weise durchläuft die zweite Kühlflüssigkeit 40 nach deren Kühlung durch den zweiten Wärmetauscher 37 zuerst den Wechselrichter 14 und/oder die ersten Kühlelemente. Die zweiten Kühlelemente können in dem zweiten Flüssigkeitskühlkreislauf 24 parallel geschaltet sein.
Der zweite Kühlkreislauf 24 ist unabhängig von dem ersten Kühlkreislauf 22 und/oder von diesem abgekoppelt. Insbesondere kann die zweite Kühlflüssigkeit 40 eine andere sein als die erste Kühlflüssigkeit 32. Die zweite Kühlflüssigkeit 40 kann eine elektrisch leitende Flüssigkeit sein. Die zweite Kühlflüssigkeit 40 ist z. B. Wasser.
Die Komponenten des Wechselrichters 14, die von dem zweiten Flüssigkeitskühlkreislauf 24 gekühlt werden, können stattdessen auch direkt mit Luft gekühlt werden. In diesem Fall kann der zweite Flüssigkeitskühlkreislauf 24 entfallen.
2 zeigt ein Wechselrichtermodul 20, das von dem ersten Flüssigkeitskühlkreislauf 22 und dem zweiten Flüssigkeitskühlkreislauf 24 gekühlt wird. Jedes Wechselrichtermodul 20 aus 1 kann wie das in 2 gezeigte ausgebildet sein.
Das Wechselrichtermodul 20 umfasst ein Substrat 42, das eine oder mehrere Metallisierungsschichten 44 und eine Trennschicht 46 umfasst. Das Substrat 42 kann z. B. eine gedruckte Leiterplatte, ein isoliertes Metallsubstrat (IMS) oder ein DBC (Direct Bonded Copper)-Substrat sein. Es ist auch ein auf einem Leiterrahmen basierendes Substrat 42 möglich.
An mindestens eine der Metallisierungsschichten 44 sind einer oder mehrere Halbleiterchips 48 gebondet. Die eine oder mehreren Metallisierungsschichten 44 sind so strukturiert, dass sie die Halbleiterchips 48 zu einer elektrischen Schaltung, wie z. B. einer Halbbrücke, zusammenschalten. Die Halbleiterchips 48 können Leistungshalbleiterschalter, wie Thyristoren oder Transistoren, bereitstellen. Es ist auch möglich, dass die Halbleiterchips 48 eine oder mehrere Leistungsdioden umfassen. Die Halbleiterchips 48 können auf einem Halbleiter mit breitem Bandabstand basieren, wie z. B. GaN und SiC. Solche Halbleiterchips 48 mit breitem Bandabstand bieten die Möglichkeit, das Wechselrichtermodul 20 mit höheren Spannungen und/oder höheren Schaltfrequenzen zu betreiben.
Ein erstes Kühlelement 50 ist an den Halbleiterchips 48 angebracht. Das erste Kühlelement umfasst einen Kühlkörper 52, der aus Metall gemacht sein kann, einen Kühlkanal 54, einen Einlass 56 und einen Auslass 58. Über den Einlass 56 und den Auslass 58 ist das erste Kühlelement 50 in den ersten Kühlkreislauf 22 integriert. Die erste Kühlflüssigkeit 32 tritt durch den Einlass 56 in das erste Kühlelement 50 ein und verlässt das erste Kühlelement 50 durch den Auslass 58. In dem Kühlkanal 54 nimmt die erste Kühlflüssigkeit 32 von den Halbleiterchips 48 erzeugte Wärme auf.
Das erste Kühlelement 50 und/oder dessen Kühlkörper 52 sind in direktem Kontakt mit den Halbleiterchips 48 und somit in elektrischem Kontakt mit den Halbleiterchips 48. Das erste Kühlelement 50 und/oder dessen Kühlkörper 52 können an einer Rückseite der Halbleiterchips 48 montiert sein. Eine Vorderseite der Halbleiterchips 48 ist an das Substrat 42 gebondet. Auf diese Weise können das erste Kühlelement 50 und/oder dessen Kühlkörper 52 elektrisch leitend sein. Ist die erste Kühlflüssigkeit 32 Öl, das eine galvanisch trennende Flüssigkeit ist, besteht keine Notwendigkeit, eine galvanische Trennung zwischen den Halbleiterchips 48 und dem ersten Kühlelement 50 bereitzustellen.
Das erste Kühlelement 50, das Substrat 42 und die Halbleiterchips 48 können in dem gleichen Gehäuse 60 angeordnet und/oder in das gleiche Form- bzw. Silikongelmaterial 62 gegossen werden. Der Einlass 56 und der Auslass 58 des ersten Kühlelements 50 können aus dem Gehäuse 60 und/oder aus dem Form- bzw. Silikongelmaterial 62 herausragen. Das Form- oder Silikongelmaterial 62 kann zur galvanischen Trennung der darin gegossenen Komponenten des Wechselrichtermoduls 20 verwendet werden. Zur galvanischen Trennung können die Leitungen 30 (siehe 1) des ersten Kühlkreislaufs 22, die mit dem Einlass 56 und dem Auslass 58 verbunden sind, aus galvanisch trennendem Material gemacht sein.
Das Wechselrichtermodul 20 kann ferner eine Treiberplatine 64 umfassen, die zum Steuern der Halbleiterchips 48 ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann die Treiberplatine 64 elektronische Komponenten 66 umfassen, die auf einer Leiterplatte 68 montiert sind, und/oder kann die Treiberplatine elektrisch mit dem Substrat und/oder den Halbleiterchips 48 verbunden sein, z. B. mit Signalstiften 70. Das erste Kühlelement 50 kann zwischen der Treiberplatine 64 und dem Substrat 42 angeordnet sein.
Das Wechselrichtermodul 20 umfasst ein zweites Kühlelement 72, das an dem Substrat 42 angebracht ist. Zwischen dem zweiten Kühlelement 72 und dem Substrat 42 ist ein thermisches Grenzflächenmaterial 47 angeordnet. Das zweite Kühlelement 72 ist z. B. an eine Metallisierungsschicht 44 des Substrats 42 gebondet, die den Halbleiterchips 48 gegenüberliegt. Das zweite Kühlelement 72 kann auf einer den Halbleiterchips 48 und/oder dem ersten Kühlelement 50 gegenüberliegenden Seite des Substrats 42 angeordnet sein.
Das zweite Kühlelement 72 umfasst einen Kühlkörper 74, der aus Metall gemacht sein kann, einen Kühlkanal 76, einen Einlass 78 und einen Auslass 80. Über den Einlass 78 und den Auslass 80 ist das zweite Kühlelement 72 in den zweiten Kühlkreislauf 24 integriert. Die zweite Kühlflüssigkeit 40 tritt durch den Einlass 78 in das zweite Kühlelement 72 ein und verlässt das zweite Kühlelement 72 durch den Auslass 80. In dem Kühlkanal 76 nimmt die zweite Kühlflüssigkeit 40 die von den Halbleiterchips 48 erzeugte Wärme auf.
Das zweite Kühlelement 72 und/oder dessen Kühlkörper 74 sind galvanisch von den Halbleiterchips 48 und/oder der elektrischen Schaltung, in die die Halbleiterchips 48 integriert sind, getrennt. Auf diese Weise kann eine elektrisch leitende Kühlflüssigkeit als zweite Kühlflüssigkeit 40 verwendet werden.
Mit dem ersten Kühlelement 50 und dem zweiten Kühlelement 72 wird das Wechselrichtermodul 20 von beiden Seiten doppelt gekühlt, wobei das erste Kühlelement 50 in direktem thermischem Kontakt mit den Halbleiterchips 48 ist. Dies führt zu einer sehr effizienten Kühlung des Wechselrichtermoduls 20.
Optional kann das zweite Kühlelement 72 auch in den ersten Kühlkreislauf 22 integriert sein und kann die gleiche Kühlflüssigkeit 32, wie z. B. Öl, die es durchströmt, zum Kühlen verwenden.
Das zweite Kühlelement 72 kann auf Luftkühlung statt auf Flüssigkeitskühlung basieren. Beispielsweise kann das zweite Kühlelement 72 anstelle des Kühlkanals 76 auch Rippen umfassen, die einem Luftstrom ausgesetzt sind.
Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung im Detail dargestellt und beschrieben wurde, sind diese Darstellungen und Beschreibungen als darstellend oder beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann, der die beanspruchte Erfindung in der Praxis anwendet, anhand der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus und schließt der unbestimmte Artikel „ein“, „eine“ oder „eines“ eine Mehrzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor, eine einzelne Steuereinrichtung oder eine sonstige Einheit kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen aufgeführter Elemente erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in verschiedenen voneinander abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft sein kann. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht als Beschränkung des Umfangs zu verstehen sein.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Elektromotor
14: Wechselrichter
16: Batterie
18: Kühlsystem
20: Wechselrichtermodul
22: erster Flüssigkeitskühlkreislauf
24: zweiter Flüssigkeitskühlkreislauf
26: erste Pumpe
27: erster Wärmetauscher
28: Kühlkomponente
30: Leitung
32: erste Kühlflüssigkeit
34: Rotor
35: Stator
36: zweite Pumpe
37: zweiter Wärmetauscher
38: Leitung
40: zweite Kühlflüssigkeit
42: Substrat
44: Metallisierungsschicht
46: Trennschicht
47: thermisches Grenzschichtmaterial
48: Halbleiterchip
50: erstes Kühlelement
52: Kühlkörper
54: Kühlkanal
56: Einlass
58: Auslass
60: Gehäuse
62: Form- oder Silikongelmaterial
64: Treiberplatine
66: elektronische Komponente
68: PCB
70: Signalstift
72: zweites Kühlelement
74: Kühlkörper
76: Kühlkanal
78: Einlass
80: Auslass

Claims

Kühlsystem (18) für ein Fahrzeug (10), wobei das Kühlsystem (18) umfasst: eine Motorkühlkomponente (28) zum Kühlen eines Elektromotors (12) des Fahrzeugs (10); ein Kühlelement (50) zum Kühlen eines Wechselrichters (14) zum Versorgen des Elektromotors (12) mit einem Wechselstrom; einen Flüssigkeitskühlkreislauf (22) zum Transportieren einer Kühlflüssigkeit (32) durch die Motorkühlkomponente (28) und das Kühlelement (50) des Wechselrichters (14).
Kühlsystem (18) nach Anspruch 1, wobei die Kühlflüssigkeit (32) eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit ist; und/oder wobei die Kühlflüssigkeit (32) Öl ist.
Kühlsystem (18) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Elektromotor (12) einen Rotor (34) und einen Stator (35) umfasst, die direkt von der Kühlflüssigkeit (32) gekühlt werden.
Kühlsystem (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flüssigkeitskühlkreislauf (22) ein erster Flüssigkeitskühlkreislauf (22) ist, die Kühlflüssigkeit (32) eine erste Kühlflüssigkeit (32) ist und das Kühlelement (50) ein erstes Kühlelement (50) ist; wobei das Kühlsystem (18) ferner umfasst: ein zweites Kühlelement (72) zum Kühlen des Wechselrichters (14); einen zweiten Flüssigkeitskühlkreislauf (24) zum Transportieren einer zweiten Kühlflüssigkeit (40) durch das zweite Kühlelement (72) des Wechselrichters (14).
Kühlsystem (18) nach Anspruch 4, wobei die zweite Kühlflüssigkeit (40) eine elektrisch leitende Flüssigkeit ist; und/oder wobei die zweite Kühlflüssigkeit (40) Wasser ist.
Kühlsystem (18) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Wechselrichter (14) mindestens ein Wechselrichtermodul (20) umfasst; wobei das Wechselrichtermodul (20) ein Substrat (42) mit Halbleiterchips (48) umfasst; wobei das Wechselrichtermodul (20) das erste Kühlelement (50) zum Kühlen der Halbleiterchips (48) umfasst und das erste Kühlelement (50) in elektrischem Kontakt mit den Halbleiterchips (48) ist; wobei das Wechselrichtermodul (20) das zweite Kühlelement (72) zum Kühlen der Halbleiterchips (48) umfasst und das zweite Kühlelement (72) galvanisch von den Halbleiterchips (48) getrennt ist.
Elektrofahrzeug (10), umfassend: einen Elektromotor (12) zum Antreiben des Fahrzeugs (10); einen Wechselrichter (14) zum Versorgen des Elektromotors (12) mit einem Wechselstrom; ein Kühlsystem (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Wechselrichtermodul (20) für einen Wechselrichter (14) eines Fahrzeugs (10), wobei das Wechselrichtermodul (20) umfasst: ein Substrat (42) mit Halbleiterchips (48), die mittels des Substrats (42) elektrisch miteinander verbunden sind; ein Kühlelement (50), das an den Halbleiterchips (48) angebracht ist und in elektrischem Kontakt mit den Halbleiterchips (48) ist, wobei das Kühlelement (50) zum Aufnehmen einer elektrisch nicht leitenden Kühlflüssigkeit (32) ausgebildet ist.
Wechselrichtermodul (20) nach Anspruch 8, wobei das Kühlelement (50) an Rückseiten der Halbleiterchips (48) angebracht ist, die an eine Vorderseite des Substrats (42) gebondet sind.
Wechselrichtermodul (20) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Substrat (42) mit den Halbleiterchips (48) und das Kühlelement (50) zusammen in ein Form- oder ein Silikongelmaterial (62) gegossen werden.
Wechselrichtermodul (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Kühlelement (50) ein erstes Kühlelement (50) ist; wobei das Wechselrichtermodul (20) ferner umfasst: ein zweites Kühlelement (72), das an dem Substrat (42) angebracht ist und galvanisch von den Halbleiterchips (48) getrennt ist, wobei das zweite Kühlelement (72) zum Aufnehmen einer elektrisch leitenden Kühlflüssigkeit (40) ausgebildet ist.
Wechselrichtermodul (20) nach Anspruch 11, wobei die Halbleiterchips (48) zwischen dem Substrat (42) und dem ersten Kühlelement (50) angeordnet sind; wobei das Substrat (42) zwischen den Halbleiterchips (48) und dem zweiten Kühlelement (72) angeordnet ist.