DE202021101376U1

DE202021101376U1 - Kühlstruktur, Ladevorrichtung und Fahrzeug

Info

Publication number: DE202021101376U1
Application number: DE202021101376.1U
Authority: DE
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: PANASONIC AUTOMOTIVE SYSTEMS CO., LTD., YOKOHA, JP
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2031-03-19
Also published as: JP7411910B2; JP2021150447A; CN215421305U; US20210291678A1

Abstract

Kühlstruktur (300), umfassend:
einen Kabelstrang (42);
eine mit dem Kabelstrang (42) elektrisch verbundene Platine (50);
ein Wärmeübertragungselement (46), von dem ein Ende zwischen dem Kabelstrang (42) und der Platine (50) verbunden ist, wobei das Wärmeübertragungselement (46) ein Element ist, auf das die Wärme des Kabelstrangs (42) übertragen wird; und
ein Wärmeableitungselement (48), das mit einem weiteren Ende des Wärmeübertragungselements (46) verbunden und dafür konfiguriert ist, die auf das Wärmeübertragungselement (46) übertragene Wärme abzuleiten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Kühlstruktur, eine Ladevorrichtung und ein Fahrzeug.
Stand der Technik
PTL 1 offenbart eine Technik zur Abstrahlung von Wärme, die an einem Steckverbinder aufgrund eines großen Stroms entsteht, der zwischen Platinen fließt. Der Verbinder umfasst einen Kontakt, der mit einem Stecker in Kontakt steht, und ein plattenförmiges leitfähiges Element, an dem der Kontakt befestigt ist, wobei das leitfähige Element Wärme abstrahlt, die von der Kontaktstelle des Steckers und des Kontakts auf das leitfähige Element übertragen wird.
Zitierliste
Patentliteratur
PTL 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2016-134284
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die Nenntemperatur (Bemessungstemperatur) einer typischen Leiterplatte in einer Ladevorrichtung (Ladegerät) ist tendenziell niedriger als die Nenntemperatur des Kabelstrangs, der mit der Leiterplatte verbunden ist. Wenn daher z.B. ein Strom von mehreren zehn [A] bis mehreren hundert [A] durch einen Kabelstrang fließt, wird die im Kabelstrang erzeugte Wärme auf die Platine übertragen, und die Temperatur der Platine kann die Nenntemperatur der Platine überschreiten, selbst wenn die Temperatur des Kabelstrangs unter der Nenntemperatur des Kabelstrangs liegt. Es ist nicht wünschenswert, eine Platine mit spezieller Spezifikation für eine höhere Nenntemperatur für diese thermische Gegenmaßnahme zu verwenden, da die mit der Platine ausgestattete Vorrichtung tendenziell ein speziell entwickeltes Produkt ist, was die Herstellungskosten erhöht. Daher gibt es im Stand der Technik Raum für Verbesserungen bei der Kontrolle des Temperaturanstiegs der Platine.
Die nicht einschränkenden Beispiele der vorliegenden Offenbarung tragen dazu bei, eine Kühlstruktur, eine Ladevorrichtung und ein Fahrzeug zu schaffen, die einen Temperaturanstieg einer mit einem Kabelstrang verbundenen Platine unterdrücken können.
Lösung des Problems
Eine Kühlstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Kabelstrang, eine mit dem Kabelstrang elektrisch verbundene Platine, ein Wärmeübertragungselement, von dem ein Ende zwischen dem Kabelstrang und der Platine verbunden ist, wobei das Wärmeübertragungselement ein Element ist, auf das die Wärme des Kabelstrangs übertragen wird, und einen Kühlkörper, der mit dem anderen Ende des Wärmeübertragungselements verbunden und dafür konfiguriert ist, die auf das Wärmeübertragungselement übertragene Wärme abzuleiten (oder abzustrahlen).
Eine Ladevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Kühlstruktur.
Ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Ladevorrichtung.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Kühlstruktur, eine Ladevorrichtung und ein Fahrzeug zu konstruieren, die den Temperaturanstieg der mit dem Kabelstrang verbundenen Platine unterdrücken können.
Weitere Vorteile und Wirkungen einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Solche Vorteile und/oder Wirkungen werden durch mehrere Ausführungsformen und Merkmale bereitgestellt, die in der Beschreibung bzw. in den Zeichnungen beschrieben sind, wobei jedoch nicht unbedingt alle davon vorgesehen sein müssen, um ein oder mehrere identische Merkmale zu erhalten.
Figurenliste

1 zeigt eine Konfiguration eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers;
3 zeigt ein äußeres Erscheinungsbild einer Ladevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 zeigt einen inneren Aufbau einer Ladevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 zeigt ein Wärmewiderstandsmodell auf einem Wärmeübertragungsweg in einer Ladevorrichtung, die nicht mit Wärmeübertragungselement ausgestattet ist; und
6 zeigt schematisch ein Wärmewiderstandsmodell auf einem Weg, über den die Wärme eines Kabelstrangs in der Ladevorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform übertragen wird.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es ist zu beachten, dass in der Beschreibung und in den Zeichnungen Komponenten mit im Wesentlichen gleichen Funktionen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und eine überlappende Beschreibung derselben weggelassen wird.
Ausführungsform
1 zeigt eine Konfiguration eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Ein Fahrzeug 100 umfasst eine Ladevorrichtung 1, eine Fahrzeugbatterie 2, eine elektrische Komponente 3 und einen Stromrichter 4. Das Fahrzeug 100 ist zum Beispiel ein Elektrofahrzeug, wie z.B. ein Elektro-Automobil, ein Hybrid-Automobil und ein Plug-in-Hybrid-Automobil.
Die Ladevorrichtung 1 ist eine Vorrichtung, die die Fahrzeugbatterie 2 mit Energie auflädt, die von einer Wechselstromquelle 200 oder einer Schnellladeeinrichtung 300 geliefert wird. Die Ladevorrichtung 1 umfasst einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (ACDC-Wandler) 10 und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DCDC-Wandler) 11.
Der ACDC-Wandler 10 enthält eine Brückenschaltung 20 zur Vollwellengleichrichtung der Wechselspannung und einen isolierten Transformator 30. Es ist zu beachten, dass der ACDC-Wandler 10 auch eine Schaltvorrichtung (in der Zeichnung nicht gezeigt) zur Umwandlung der vollwellengleichgerichteten Spannung in eine Gleichspannung mit einem gewünschten Wert, eine Platine und dergleichen enthält. Die Platine ist eine gedruckte Leiterplatte zur Montage von Schaltungskomponenten wie der Brückenschaltung 20 und der Schaltvorrichtung. Die Platine wird später näher erläutert. Der ACDC-Wandler 10 mit der oben beschriebenen Konfiguration lädt die Fahrzeugbatterie 2, indem er eine von der Wechselstromquelle 200 gelieferte Wechselspannung in eine Gleichspannung mit einem gewünschten Wert umwandelt und diese der Fahrzeugbatterie 2 zuführt.
Die Fahrzeugbatterie 2 ist eine Einheit zum Speichern von Energie für den Antrieb eines Fahrmotors (Haupt-Elektromotor), einer elektrische Komponente 3 und dergleichen, die im Fahrzeug 100 montiert sind, und ist beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder dergleichen. Beispiele für die elektrische Komponente 3 sind ein Navigationsgerät, ein Audiogerät, eine Klimaanlage, ein elektrischer Fensterheber, eine Anti-Beschlag-Vorrichtung (Scheibenheizung), eine elektronische Steuereinheit (ECU), ein GPS-Modul (GPS = Global Positioning System) und eine fahrzeugeigene Kamera. Der Stromrichter 4 ist eine Leistungswandlervorrichtung, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und diesen dem Haupt-Elektromotor zuführt.
Bei einem Fahrzeug 100 mit der oben genannten Konfiguration besteht ein zunehmender Bedarf, die Ladezeit der Fahrzeugbatterie 2 zu verkürzen, während die Speicherkapazität der Fahrzeugbatterie 2 steigt. Wenn der Ausgangsstrom des ACDC-Wandlers 10 erhöht wird, um die Fahrzeugbatterie 2 in kurzer Zeit zu laden, nimmt die Wärme sprunghaft zu, die in der mit dem ACDC-Wandler 10 verbundenen Verkabelung, d. h. einem Stromversorgungskabelstrang, erzeugt wird. Diese Wärme nimmt proportional zum Quadrat des im Leiter fließenden Stroms zu. Die im Kabelstrang erzeugte Wärme wird auf die mit dem Kabelstrang verbundene Platine im ACDC-Wandler 10 übertragen. Wenn also der durch den Kabelstrang fließende Strom zunimmt, steigt die Temperatur der Platine tendenziell an.
Mit Ausnahme von Platinen mit speziellen Spezifikationen, die eine hohe Nenntemperatur aufweisen und für die Montage von Leistungsmodulen wie IGBTs ausgelegt sind, ist die Nenntemperatur einer typischen Platine jedoch tendenziell niedriger als die Nenntemperatur des mit der Platine verbundenen Kabelstrangs. Die Nenntemperatur einer typischen Platine beträgt z.B. 120 °C, und die Nenntemperatur des Kabelstrangs beträgt z.B. 200 °C. Der Grund dafür ist, dass beispielsweise, da die Stromstärke für die Ansteuerung der elektrischen Komponente 3 kleiner ist als der Ladestrom, angenommen wird, dass die Temperatur einer Platine mit einer typischen Spezifikation, die für den DCDC-Wandler 11 und dergleichen verwendet wird, die Nenntemperatur nicht überschreitet. Wenn also ein Strom von mehreren zehn [A] bis hunderten [A] durch den Kabelstrang fließt, wird die im Kabelstrang erzeugte Wärme auf die mit dem Kabelstrang verbundene Platine übertragen. Dies führt dazu, dass selbst dann, wenn die Temperatur des Kabelstrangs gleich oder kleiner als die Nenntemperatur des Kabelstrangs ist, die Temperatur der Platine die Nenntemperatur der Platine überschreitet und die Platine beschädigt werden kann. Als Gegenmaßnahme gegen eine solche Erwärmung ist es notwendig, eine Maßnahme zu ergreifen wie z.B. die Verwendung einer Platine mit einer speziellen Spezifikation, die eine hohe Nenntemperatur aufweist, was jedoch nicht bevorzugt wird, da der ACDC-Wandler 10 als speziell entwickeltes Produkt bereitgestellt werden muss, was die Herstellungskosten erhöht.
Angesichts der obigen Ausführungen verwendet die Ladevorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Kühlstruktur zur Unterdrückung des Temperaturanstiegs der Platine, indem die Übertragung der im Kabelstrang erzeugten Wärme auf die Platine erschwert wird durch einen Weg, der einen Teil der im Kabelstrang erzeugten Wärme zum Wärmeableitungselement abfließen lässt. Die Kühlstruktur wird im Folgenden mit Bezug auf 2 usw. beschrieben.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines ACDC-Wandlers. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Anschlusses und eines Kabelstrangs. Wie in 2 gezeigt, umfasst der ACDC-Wandler 10 eine Platine 50. Der Anschluss 41 ist mit der Platine 50 verbunden. Genauer ist der Anschluss 41 mit der Sekundärwicklungsseite des auf der Platine 50 montierten Transformators 30 verbunden. Der Anschluss 41 ist ein leitfähiger runder Anschluss, der mit einem Ende des Kabelstrangs 42 durch Verstemmen, Schweißen und dergleichen verbunden ist.
Ein Verbinder 43 ist mit dem Kabelstrang 42 auf der Seite verbunden, die der Seite des Anschlusses 41 gegenüberliegt. Der Verbinder 43 ist z.B. ein Verbinder, der auf der Gehäuseseite des ACDC-Wandlers 10 angeordnet ist.
Als nächstes wird mit Bezug auf die 3 und 4 die Kühlstruktur erläutert. In 3 usw. sind die X-Achsenrichtung, die Y-Achsenrichtung und die Z-Achsenrichtung die Richtung parallel zur X-Achse, die Richtung parallel zur Y-Achse bzw. die Richtung parallel zur Z-Achse. Die X-Achsenrichtung und die Y-Achsenrichtung sind orthogonal zueinander. Die X-Achsenrichtung und die Z-Achsenrichtung sind orthogonal zueinander. Die Y-Achsen-Richtung und die Z-Achsen-Richtung sind orthogonal zueinander. Die XY-Ebene ist eine virtuelle Ebene parallel zur X-Achsenrichtung und zur Y-Achsenrichtung. Die XZ-Ebene ist eine virtuelle Ebene parallel zur X-Achsen-Richtung und zur Z-Achsen-Richtung. Die YZ-Ebene ist eine virtuelle Ebene parallel zur Y-Achsen-Richtung und zur Z-Achsen-Richtung. Außerdem ist die Pfeilrichtung in X-Achsen-Richtung die Plus-X-Achsen-Richtung und die dieser Richtung entgegengesetzte Richtung ist die Minus-X-Achsen-Richtung. In Y-Achsenrichtung ist die Pfeilrichtung die Plus-Y-Achsenrichtung und die entgegengesetzte Richtung ist die Minus-Y-Achsenrichtung. In Z-Achsen-Richtung ist die Pfeilrichtung die Plus-Z-Achsen-Richtung und die entgegengesetzte Richtung ist die Minus-Z-Achsen-Richtung.
3 zeigt das äußere Erscheinungsbild einer Ladevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und 4 zeigt den inneren Aufbau einer Ladevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Ladevorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 5, in dem Schaltungskomponenten untergebracht sind, die wie in 1 gezeigt den ACDC-Wandler 10, den DCDC-Wandler 11 und dergleichen bilden, sowie eine mit dem Gehäuse 5 verbundene fahrzeugseitige Verkabelungseinheit 6. Wie in 4 gezeigt, ist in der fahrzeugseitigen Verkabelungseinheit 6 eine Stromschiene 45 vorgesehen.
Die Kühlstruktur 300 umfasst den Kabelstrang 42, die mit dem Kabelstrang 42 elektrisch verbundene Platine 50, sowie ein Wärmeübertragungselement 46, von dem ein Ende zwischen dem Kabelstrang 42 und der Platine 50 verbunden ist. Die Wärme des Kabelstrangs 42 wird an das Wärmeübertragungselement 46 übertragen. Außerdem umfasst die Kühlstruktur 300 einen Kühlkörper 48, der ein Wärmeableitungselement ist, das mit dem anderen Ende des Wärmeübertragungselements 46 verbunden und so konfiguriert ist, dass es die an das Wärmeübertragungselement 46 übertragene Wärme abstrahlt (ableitet).
Die Stromschiene 45 ist ein Verbindungselement, das den Kabelstrang 42 mit der Platine 50 elektrisch verbindet. Die Stromschiene 45 hat die Funktion, den Strom, der von den Schaltungskomponenten, die den ACDC-Wandler 10 auf der Platine 50 bilden, abgegeben wird, an den Kabelstrang 42 weiterzuleiten, die Funktion, die im Kabelstrang 42 erzeugte Wärme an das mechanisch und thermisch mit der Stromschiene 45 verbundene Wärmeübertragungselement 46 weiterzuleiten, und dergleichen. Das Übertragungselement 46 wird später erläutert.
Die Stromschiene 45 ist ein leitfähiges Element, das eine Stabform aufweist. Die Stromschiene 45 ist z.B. auf der in Minus-Y-Achsenrichtung angeordneten Stirnflächenseite der Platine 50 angeordnet. Das Material der Stromschiene 45 ist z.B. Kupfer. Es ist zu beachten, dass das Material der Stromschiene 45 nicht auf Kupfer beschränkt ist, sondern auch ein leitfähiges Material wie Gold, Silber, Aluminium, Platin und Chrom sein kann. Außerdem kann das Material der Stromschiene 45 auch Messing oder eine andere Kupferlegierung, eine Aluminiumlegierung oder ähnliches sein, oder es kann mit Gold, Silber, Nickel oder Zinn oberflächenbeschichtet sein, um Oxidation zu verhindern oder den Übergangswiderstand zu verringern. Außerdem ist die Form der Stromschiene 45 nicht auf die Stabform beschränkt und kann z.B. ein L-förmiges leitfähiges Element sein, das aus einem gebogenen Abschnitt, einem ersten, sich vom gebogenen Abschnitt in Plus-Y-Achsenrichtung erstreckenden Erweiterungsabschnitt und einem zweiten, sich vom gebogenen Abschnitt in Plus-X-Achsenrichtung erstreckenden Erweiterungsabschnitt besteht.
Der Anschluss 41 ist an einer Position auf der in Minus-X-Achsenrichtung angeordneten Endabschnittsseite in der Stromschiene 45 angeordnet, wobei eine Schraube 51 in ein Loch des Anschlusses und ein Loch (in der Zeichnung nicht gezeigt), das an einer Position auf der in Minus-X-Achsenrichtung angeordneten Endabschnittsseite in der Stromschiene 45 ausgebildet ist, eingesetzt wird. Danach wird z.B. eine Mutter oder dergleichen am Außengewindeabschnitt der Schraube 51 befestigt. Auf diese Weise ist der Außengewindeabschnitt der Schraube 51 mechanisch mit dem Anschluss 41 verbunden, und der Anschluss 41 ist in engem Kontakt mit dem in Minus-X-Achsenrichtung angeordneten Endabschnitt der Stromschiene 45 fixiert. Auf diese Weise ist der Anschluss 41 fest mit der Stromschiene 45 verbunden, so dass die elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss 41 und der Stromschiene 45 auch dann aufrechterhalten wird, wenn die Ladevorrichtung 1 beispielsweise aufgrund der Fahrt des Fahrzeugs 100 in Schwingungen versetzt wird, womit eine sehr zuverlässige Verbindung erreicht wird.
Ein Innengewindeabschnitt (in der Zeichnung nicht gezeigt) ist an einer Position auf einer in Plus-X-Achsenrichtung angeordneten Endabschnittsseite in der Stromschiene 45 ausgebildet. Eine Schraube 49 wird in den Innengewindeabschnitt der Stromschiene 45 von der in Plus-Y-Achsenrichtung angeordneten Stirnflächenseite der Stromschiene 45 her in Richtung zu der in Minus-Y-Achsenrichtung angeordneten Stirnflächenseite eingesetzt. Wenn der Außengewindeabschnitt der Schraube 49 mit dem Innengewindeabschnitt der Stromschiene 45 verschraubt wird, ist der Spalt zwischen der Platine 50 und der in der Minus-Y-Achsenrichtung angeordneten Stirnfläche der Stromschiene 45 auf der in der Minus-Y-Achsenrichtung angeordneten Stirnflächenseite der Platine 50 angeordnet. Auf diese Weise wird der in den Spalt eingesetzte Endabschnitt des Wärmeübertragungselements 46 zwischen der Stromschiene 45 und der Platine 50 sandwichartig angeordnet (eingeklemmt). Auf diese Weise wird das Wärmeübertragungselement 46 fest mit der Stromschiene 45 verbunden, wobei die mechanische Verbindung zwischen dem Wärmeübertragungselement 46 und der Stromschiene 45 auch dann erhalten bleibt, wenn die Ladevorrichtung 1 beispielsweise aufgrund der Fahrt des Fahrzeugs 100 in Schwingungen versetzt wird, wodurch eine sehr zuverlässige Verbindung erreicht wird.
Wenn das Wärmeübertragungselement 46 sandwichartig angeordnet ist, hat außerdem die in der Plus-Y-Richtung angeordnete Stirnfläche des Wärmeübertragungselements 46 Kontakt mit einem Anschluss, der beispielsweise auf der Platine 50 vorgesehen ist. Dieser Kontakt bedeutet einen Zustand, in dem das Wärmeübertragungselement 46 mechanisch mit einem leitfähigen Körper auf der Platine 50 verbunden ist. Der leitfähige Körper auf der Platine 50 kann z.B. ein spezielles leitfähiges Element für den Anschluss des Wärmeübertragungselements 46 oder eine Kupferfolie (Verdrahtungsmuster) auf der Platine 50 sein. Wenn das Wärmeübertragungselement 46 mit der Platine 50 in Kontakt ist, ist die Stromschiene 45 über das Wärmeübertragungselement 46 elektrisch mit den Schaltungskomponenten (wie dem in 1 gezeigten Transformator 30) auf der Platine 50 verbunden.
Außerdem ist das Wärmeübertragungselement 46, wenn es sandwichartig angeordnet ist, thermisch mit dem in Plus-X-Achsenrichtung angeordneten Endabschnitt der Stromschiene 45 verbunden. Somit wird die vom Kabelstrang 42 auf die Stromschiene 45 übertragene Wärme auf das Wärmeübertragungselement 46 übertragen, bevor sie auf die Platine 50 übertragen wird. Der größte Teil der auf das Wärmeübertragungselement 46 übertragenen Wärme wird auf den Kühlkörper 48 übertragen, der mit dem Wärmeübertragungselement 46 thermisch verbunden ist, und dann von der Oberfläche des Kühlkörpers 48 abgestrahlt.
Als nächstes wird eine Konfiguration des Wärmeübertragungselements 46 beschrieben. Das Wärmeübertragungselement 46 ist ein leitfähiges Element, das z.B. im YZ-Querschnitt eine C-Form aufweist. Das Material des Wärmeübertragungselements 46 ist dasselbe wie z.B. dasjenige der Stromschiene 45. Das Wärmeübertragungselement 46 umfasst z.B. einen unteren Abschnitt 46a als leitfähiges Element parallel zur XY-Ebene, einen aufrechten Abschnitt 46b, der von einem in Plus-Y-Achsenrichtung angeordneten Endabschnitt des unteren Abschnitts 46a in Minus-Z-Achsenrichtung ansteigt, und einen aufrechten Abschnitt 46c, der von einem in Minus-Y-Achsenrichtung angeordneten Endabschnitt des unteren Abschnitts 46a in Minus-Z-Achsenrichtung ansteigt.
Der aufrechte Abschnitt 46b ist plattenförmig und parallel zur Stromschiene 45 ausgebildet. Genauer ist der aufrechte Abschnitt 46b in einer Plattenform und parallel zu einem in Plus-X-Achsenrichtung angeordneten Endabschnitt der Stromschiene 45 ausgebildet, um eine große Kontaktfläche mit der Stromschiene 45 zu gewährleisten, wenn der aufrechte Abschnitt 46b zwischen der Stromschiene 45 und der Platine 50 sandwichartig angeordnet ist. Wenn der aufrechte Abschnitt 46b zwischen der Stromschiene 45 und der Platine 50 sandwichartig angeordnet ist, ist er elektrisch und thermisch mit der Stromschiene 45 verbunden und elektrisch mit der Platine 50 verbunden, weil der aufrechte Abschnitt 46b ein leitfähiges Element ist. Dementsprechend fließt auch dann, wenn der aufrechte Abschnitt 46b zwischen der Stromschiene 45 und der Platine 50 angeordnet ist, Strom von der Stromschiene 45 zur Platine 50, wobei die Wärme der Stromschiene 45 auf den aufrechten Abschnitt 46b übertragen wird.
Im aufrechten Abschnitt 46b ist ein Durchgangsloch (in der Zeichnung nicht gezeigt) zum Einsetzen der Schraube 49 ausgebildet. Das Durchgangsloch ist koaxial zu dem oben beschriebenen Innengewindeabschnitt der Stromschiene 45 angeordnet.
Der aufrechte Abschnitt 46c ist ein Abschnitt, der einen Oberflächenkontakt mit dem Kühlkörper 48 herstellt und beispielsweise in einer Plattenform parallel zu der in Plus-Y-Achsenrichtung angeordneten Stirnfläche 48a des Kühlkörpers 48 ausgebildet ist, um eine große thermische Kontaktfläche mit dem Kühlkörper 48 zu gewährleisten. Die Stirnfläche 48a des Kühlkörpers 48 ist ein Teil einer Wandoberfläche, die eine Nut 48b des Kühlkörpers 48 definiert. Die Nut 48b ist z.B. ein in Minus-Y-Achsenrichtung vertiefter Raum und ist auf einer der Platine 50 zugewandten Fläche des Kühlkörpers 48 ausgebildet. Die Nut 48b erstreckt sich in Z-Achsenrichtung. Eine in Minus-Y-Achsenrichtung angeordnete Stirnfläche des aufrechten Abschnitts 46c ist mit dem Kühlkörper 48 thermisch verbunden, z.B. mit einem Verguss 47 zwischen denselben. Der Verguss 47 besteht aus einem Siliziummaterial (Silikonmaterial) und hat z.B. die Funktion, den aufrechten Abschnitt 46c in engen Kontakt mit dem Kühlkörper 48 zu bringen, wobei in diesem Zustand der aufrechte Abschnitt 46c vom Kühlkörper 48 elektrisch isoliert ist. Auf diese Weise kann die Wärmeableitung verbessert werden, indem der Spalt zwischen dem aufrechten Abschnitt 46c und dem Kühlkörper 48 verringert wird, um den Kontaktbereich zu vergrößern, während verhindert wird, dass der Strom vom Kabelstrang 42 durch den Kühlkörper 48 fließt. Dementsprechend kann die Wärme des aufrechten Abschnitts 46c effizient an den Kühlkörper 48 übertragen werden, ohne dass ein Befestigungselement oder dergleichen verwendet wird. Es ist zu beachten, dass das Wärmeübertragungselement 46, wenn es C-förmig ausgebildet ist, als Antenne wirken kann. Mit der Konfiguration, bei der die Wandoberfläche, die die Nut 48b des Kühlkörpers 48 definiert, das Umfeld des Wärmeübertragungselements 46 umgibt, kann der Einfluss von Störsignalen auf das Wärmeübertragungselement 46 reduziert werden.
Es ist zu beachten, dass die Form des Wärmeübertragungselements 46 nicht auf die C-Form beschränkt ist, solange es eine Struktur aufweist, bei der wenigstens ein Ende desselben einen thermischen Kontakt mit der Stromschiene 45 herstellt, und kann im YZ-Querschnitt eine Form wie z.B. eine U-Form, eine I-Form und eine L-Form aufweisen. Es ist zu beachten, dass das Wärmeübertragungselement 46 mit der C-Form leicht durch Pressen eines plattenförmigen leitfähigen Elements hergestellt werden kann. Dementsprechend kann die Fertigungseffizienz des Wärmeübertragungselements 46 im Vergleich zu einem Wärmeübertragungselement mit einer I-Form oder dergleichen erhöht sein. Da ferner die Kontaktfläche mit dem Kühlkörper 48 und der Stromschiene 45 im Vergleich zu einem Wärmeübertragungselement 46 mit einer I-Form, einer L-Form oder dergleichen vergrößert sein kann, kann die vom Kabelstrang 42 übertragene Wärme effizient auf den Kühlkörper 48 übertragen werden, wodurch der Temperaturanstieg der Platine 50 unterdrückt werden kann. Es ist zu beachten, dass das Wärmeübertragungselement 46 eine Konfiguration aufweisen kann, bei der der aufrechte Abschnitt 46b aus einem Material mit Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist, während der untere Abschnitt 46a und der aufrechte Abschnitt 46c aus einem Material ohne Wärmeleitfähigkeit gefertigt sind.
Als nächstes wird mit Bezug auf die 5 und 6 ein Wärmewiderstandsmodell der Kühlstruktur 300 beschrieben.
5 zeigt schematisch ein Wärmewiderstandsmodell für einen Weg, über den die Wärme eines Kabelstrangs in einer typischen Ladevorrichtung ohne Wärmeübertragungselement übertragen wird. P_H repräsentiert eine Wärme, die der Verlustleistung im Kabelstrang 42 entspricht. R_H repräsentiert den Wärmewiderstand [K/W] des Kabelstrangs 42. R_H beinhaltet den Wärmewiderstand des leitfähigen Körpers des Kabelstrangs 42 und den Wärmewiderstand des mit dem Kabelstrang 42 verbundenen Anschlusses 41. Es ist zu beachten, dass in dem Fall, in dem der Kabelstrang 42 direkt mit der Stromschiene 45 verbunden ist, ohne den Anschluss 41 zu verwenden, R_H den Wärmewiderstand des leitfähigen Körpers des Kabelstrangs 42 beinhaltet.
T_X1 repräsentiert die Temperatur eines Verbindungsteils von Kabelstrang 42 und Stromschiene 45. R_B repräsentiert den Wärmewiderstand der Stromschiene 45. Genauer repräsentiert R_B den Wärmewiderstand vom Verbindungsteil der Stromschiene 45 mit dem Kabelstrang 42 zu dem Verbindungsteil der Stromschiene 45 mit dem leitfähigen Körper (wie z.B. einem Verdrahtungsmuster und einem Anschluss) auf der Platine 50.
Tp repräsentiert die Temperatur des Verbindungsteils von Stromschiene 45 und Platine 50. Rp repräsentiert den Wärmewiderstand der Platine 50, und Rp beinhaltet z.B. den Wärmewiderstand des Verdrahtungsmusters, des Anschlusses und dergleichen auf der Platine 50 und dergleichen. T_A1 repräsentiert die Temperatur des Verbindungsteils des Kühlkörpers und der Platine 50. R_I repräsentiert den kombinierten Wärmewiderstand aus dem Wärmewiderstand aufgrund der Wärmeleitung des Kühlkörpers selbst, der mit der Platine 50 verbunden ist, und dem Wärmewiderstand aufgrund der Wärmeübertragung zwischen dem Kühlkörper und dem Kühlmedium. Tw repräsentiert die Temperatur des Wärmeableitungsmittels, wie z.B. Kühlmittel und Luft.
Pp repräsentiert die auf die Platine 50 übertragene Wärme. Wenn davon ausgegangen wird, dass die gesamte vom Kabelstrang 42 zur Stromschiene 45 übertragene Wärme auf die Platine 50 übertragen wird, sind Pp und P_H im Wesentlichen gleich groß. Dementsprechend kann die Temperatur der Platine 50 die Nenntemperatur der Platine 50 überschreiten, wenn die im Kabelstrang 42 aufgrund eines durch den Kabelstrang 42 fließenden großen Stroms erzeugte Wärme auf die Platine 50 übertragen wird, und die Platine 50 kann beschädigt werden, selbst wenn die Temperatur des Kabelstrangs 42 kleiner oder gleich der Nenntemperatur des Kabelstrangs 42 ist.
6 zeigt schematisch ein Wärmewiderstandsmodell auf einem Weg, über den die Wärme des Kabelstrangs in der Ladevorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform übertragen wird. Nachfolgend wird die Beschreibung für die gleichen Bezugszeichen wie die in 5 gezeigten Bezugszeichen weggelassen, wobei unterschiedliche Bezugszeichen beschrieben werden.
Rx repräsentiert den Wärmewiderstand des Wärmeübertragungselements 46. T_F repräsentiert die Temperatur des Verbindungsteils von Wärmeübertragungselement 46 und Kühlkörper 48. R_H ist der Wärmewiderstand des Wärmedurchgangs zwischen dem Wärmeabgabemittel und dem Kühlkörper, der von der physikalischen Eigenschaft und der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeabgabemittels sowie der Form des Kühlkörpers abhängt. T_A2 repräsentiert die Temperatur der Oberfläche des Kühlkörpers. P_F hängt vom Verhältnis der Summe (R_X + R_A + R_F + R_H) von R_X, R_A, R_F und R_H zu der Summe (R_P + R_I) von R_P und R_I ab.
R_F repräsentiert den Wärmewiderstand eines Isolators (z.B. des Vergusses 47), der zwischen dem Wärmeübertragungselement 46 und dem Kühlkörper 48 vorgesehen ist. Im Wärmeableitungsweg, der aus dem Wärmeübertragungselement 46, dem Kühlkörper 48 und R_H besteht, ist R_A vorherrschend. Um R_F zu reduzieren, ist es z.B. effektiv, die gegenüberliegende Fläche des Wärmeübertragungselements 46 und des Kühlkörpers 48 zu vergrößern und den Abstand vom aufrechten Abschnitt 46c zum Verguss 47 zu verringern. R_A repräsentiert den Wärmewiderstand des Kühlkörpers 48. Wenn davon ausgegangen wird, dass die gesamte vom Kabelstrang 42 zum Wärmeübertragungselement 46 übertragene Wärme zum Kühlkörper 48 übertragen wird, berechnet sich Pp aus Pp = P_H - P_F berechnet, und dementsprechend ist der in 6 gezeigte Wert von Pp kleiner als der in 5 gezeigte Wert von P_P.
In der Kühlstruktur 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, da eine Parallelschaltung des Wärmewiderstands gebildet wird, die am Kabelstrang 42 erzeugte Wärme weniger an die Platine 50 übertragen, selbst in dem Fall, in dem z.B. der kombinierte Wärmewiderstand (Rx + R_A + R_F + R_H) durch das Wärmeübertragungselement 46 höher ist als der kombinierte Wärmewiderstand (R_P + R_I) durch die Platine 50. Es ist zu beachten, dass der Wärmewiderstand des Wärmeübertragungselements 46 vorzugsweise niedriger ist als der Wärmewiderstand des leitfähigen Körpers der Platine 50, da somit die am Kabelstrang 42 erzeugte Wärme leicht auf das Wärmeübertragungselement 46 übertragen wird und der Temperaturanstieg der Platine 50 weiter gedrückt werden kann.
Es ist zu beachten, dass das Wärmeübertragungselement 46 nicht auf ein leitfähiges Element beschränkt ist und aus einem nichtleitfähigen Element bestehen kann, so dass z.B. der Wärmewiderstand des Wärmeübertragungselements 46 geringer ist als der Wärmewiderstand des leitfähigen Körpers der Platine 50. Beispiele für das nichtleitfähige Element mit niedrigem Wärmewiderstand (hoher Wärmeleitfähigkeit) umfassen Aluminiumoxid, Silizium und Germanium. Um die elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene 45 und der Platine 50 zu gewährleisten, wird in diesem Fall bevorzugt, zusätzlich zur Schraube 49 ein leitfähiges Element vorzusehen, das sich von der Stromschiene 45 zur Platine 50 erstreckt. Mit einer solchen Konfiguration wird die Montagefreundlichkeit verbessert, da das nichtleitfähige Wärmeübertragungselement 46 direkt am Kühlkörper 48 befestigt werden kann, ohne einen Verguss 47 zu verwenden, und Aufgaben bei der Montage der Ladevorrichtung 1, wie die Positionierung des nichtleitfähigen Wärmeübertragungselements 46, entfallen können.
Als nächstes wird ein Montageverfahren für die Ladevorrichtung 1 beschrieben. Wenn die in 4 gezeigte fahrzeugseitige Verkabelungseinheit 6 am Gehäuse 5 installiert wird, wird die fahrzeugseitige Verkabelungseinheit 6 in der Plus-X-Achsenrichtung in eine Position bewegt, in der ein in der Plus-X-Achsenrichtung angeordnetes Ende der Stromschiene 45 einer in der Minus-Y-Achsenrichtung angeordneten Stirnfläche des Wärmeübertragungselements 46 gegenüberliegt. Dann wird an der Position, an der das Ende der Stromschiene 45 der in Minus-Y-Achsenrichtung angeordneten Stirnfläche des Wärmeübertragungselements 46 gegenüberliegt, die in 4 gezeigte Schraube 49 an die Stromschiene 45 geschraubt. Auf diese Weise ist die Stromschiene 45 thermisch mit dem Wärmeübertragungselement 46 verbunden, und die Stromschiene 45 ist außerdem elektrisch mit der Platine 50 verbunden. Durch das Installieren der fahrzeugseitigen Verkabelungseinheit 6 am Gehäuse 5 kann die Länge des leitfähigen Elements (z.B. Kabelstrang 42 und Stromschiene 45), in dem ein großer Strom fließt, reduziert werden, und der Verlust des leitfähigen Elements kann verringert werden, wobei außerdem die Einsatzmenge (Materialmenge) des leitfähigen Elements verringert werden kann. Dementsprechend kann eine Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs 100 erreicht werden, während beispielsweise die Ladeeffizienz der Ladevorrichtung 1 verbessert wird. Es ist zu beachten, dass ein Ende der Stromschiene 45 an der fahrzeugseitigen Verkabelungseinheit 6 befestigt sein kann.
Außerdem kann in der Ladevorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da die Wärme des Kabelstrangs 42 weniger auf die Platine 50 übertragen wird, die Lebensdauer der Schaltungskomponenten, wie z.B. eines Elektrolytkondensators und einer Halbleiter-Schaltvorrichtung, die auf der Platine 50 montiert sind, erhöht werden, und eine Verschlechterung der Qualität der Schaltungskomponenten wird unterdrückt, womit die Zuverlässigkeit der Ladevorrichtung 1 verbessert wird. Außerdem kann in dem Fall, in dem ein Kühlgebläse zur Kühlung von Schaltungskomponenten und dergleichen auf der Platine 50 verwendet wird, die Betriebszeit des Kühlgebläses reduziert werden und somit die Lebensdauer des Kühlgebläses erhöht werden. Da die Wärme des Kabelstrangs 42 weniger auf die Platine 50 übertragen wird, kann außerdem verhindert werden, dass die Sperrschichttemperatur eines auf der Platine 50 montierten Halbleiterbauelements gleich oder größer als die Nenntemperatur wird, und es kann eine Ladevorrichtung 1 erhalten werden, die eine hohe Betriebszuverlässigkeit erreicht.
Außerdem ist die Position, an der das Wärmeübertragungselement 46 verbunden ist, nicht beschränkt, solange es zwischen dem Kabelstrang 42 und der Platine 50 verbunden ist, und ist nicht auf die Position zwischen der Stromschiene 45 und der Platine 50 beschränkt (die Position, an der ein Ende der Stromschiene 45 und die Platine 50 einander gegenüberliegen). Beispielsweise kann die Position, an der das Wärmeübertragungselement 46 verbunden ist, eine Position sein, an der der angeschlossene Kabelstrang 42 mit der Stromschiene 45 verbunden ist. In diesem Fall, wenn z.B. ein Ende des Wärmeübertragungselements 46 verbunden und zwischen dem Anschluss des Kabelstrangs 42 und der Stromschiene 45 sandwichartig angeordnet ist, ist das Wärmeübertragungselement 46 thermisch mit dem Kabelstrang 42 verbunden, und die Stromschiene 45 ist direkt mit der Platine 50 verbunden. Außerdem kann die Position, an der das Wärmeübertragungselement 46 verbunden ist, ein Zwischenabschnitt des Kabelstrangs 42 sein. In diesem Fall wird das Wärmeübertragungselement 46 durch Schweißen und Verschrauben (Schraubbefestigung) eines Endes des Wärmeübertragungselements 46 mit der Stromschiene 45 thermisch mit der Stromschiene 45 verbunden.
Es ist zu beachten, dass die Kühlstruktur 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auch auf andere Vorrichtungen als den ACDC-Wandler 10 anwendbar ist, wie z.B. den DCDC-Wandler 11 und den Stromrichter 4. Es ist zu beachten, dass bevorzugt wird, die Kühlstruktur 300 für den ACDC-Wandler 10 zu verwenden, da die Wärme des Kabelstrangs 42, die durch einen großen Strom während des Ladens erzeugt wird, durch die Anwendung der Kühlstruktur 300 auf den ACDC-Wandler 10, der zum Laden der Fahrzeugbatterie 2 verwendet wird, die eine Schnellladung erfordert, weniger auf die Platine 50 übertragen wird.
Es ist zu beachten, dass das Fahrzeug 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht auf Automobile beschränkt ist und auch Schienenfahrzeuge und andere Fahrzeuge als Automobile, wie z.B. Fahrräder, umfassen kann.
Obwohl die verschiedenen Ausführungsformen oben mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben worden sind, ist klar, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf solche Beispiele beschränkt ist. Es ist offensichtlich, dass ein Fachmann verschiedene Beispiele für Änderungen oder Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche ersinnen kann, die selbstverständlich als zum technischen Umfang der vorliegenden Offenbarung gehörend verstanden werden. Außerdem können alle Komponenten in den obigen Ausführungsformen beliebig kombiniert werden, ohne vom Zweck der Offenbarung abzuweichen.
Die spezifischen Beispiele der vorliegenden Offenbarung wurden oben ausführlich beschrieben, aber sie sind nur Beispiele und schränken den Umfang der Ansprüche nicht ein. Die im Umfang der Ansprüche beschriebene Technik umfasst verschiedene Variationen und Modifikationen der oben gezeigten spezifischen Beispiele.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist für eine Kühlstruktur, eine Ladevorrichtung und ein Fahrzeug geeignet.
Bezugszeichenliste

1: Ladevorrichtung
2: Fahrzeugbatterie
42: Kabelstrang
45: Stromschiene
46: Wärmeübertragungselement
48: Kühlkörper
50: Platine
100: Fahrzeug
300: Kühlstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2016134284 [0003]

Claims

Kühlstruktur (300), umfassend: einen Kabelstrang (42); eine mit dem Kabelstrang (42) elektrisch verbundene Platine (50); ein Wärmeübertragungselement (46), von dem ein Ende zwischen dem Kabelstrang (42) und der Platine (50) verbunden ist, wobei das Wärmeübertragungselement (46) ein Element ist, auf das die Wärme des Kabelstrangs (42) übertragen wird; und ein Wärmeableitungselement (48), das mit einem weiteren Ende des Wärmeübertragungselements (46) verbunden und dafür konfiguriert ist, die auf das Wärmeübertragungselement (46) übertragene Wärme abzuleiten.
Kühlstruktur (300) nach Anspruch 1, wobei ein Wärmewiderstand des Wärmeübertragungselements (46) geringer ist als ein Wärmewiderstand der Platine (50).
Kühlstruktur (300) nach Anspruch 1 oder 2, die ferner ein Verbindungselement (45) umfasst, das dafür konfiguriert ist, den Kabelstrang (42) mit der Platine (50) elektrisch zu verbinden, wobei ein Ende des Wärmeübertragungselements (46) mit dem Verbindungselement (45) verbunden ist; und wobei ein weiteres Ende des Wärmeübertragungselements (46) mit dem Wärmeableitungselement (48) verbunden ist.
Kühlstruktur (300) nach Anspruch 3, wobei ein Teil des Wärmeübertragungselements (46) zwischen einem Teil des Verbindungselements (45) und einem Teil der Platine (50) angeordnet ist.
Kühlstruktur (300) nach Anspruch 4, wobei der Teil des Verbindungselements (45), der Teil des Wärmeübertragungselements (46) und der Teil der Platine (50) mittels Schraubbefestigung befestigt sind.
Kühlstruktur (300) nach Anspruch 5, wobei das Wärmeübertragungselement (46) eine C-Form aufweist.
Kühlstruktur (300) nach Anspruch 1, wobei das Wärmeableitungselement (48) die auf das Wärmeableitungselement (48) übertragene Wärme von dem Wärmeübertragungselement (46) durch ein Vergussmaterial ableitet.
Kühlstruktur (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Wärmeübertragungselement (46) aus einem leitfähigen Material gefertigt ist.
Ladevorrichtung (1), die die Kühlstruktur (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
Fahrzeug (100), das die Ladevorrichtung (1) nach Anspruch 9 umfasst.