JP3239310U - 自動車の電気機械を動作させるための冷却パルスインバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車の電気機械を動作させるための冷却パルスインバータを提供する。【解決手段】 自動車バッテリから自動車の電気機械を動作させるためのパルスインバータ（１０）であって、内部（１２）を画定するためのハウジング（１４）と、ハウジング（１４）の内部（１２）に提供された、直流を交流に変換するためのパワーエレクトロニクスシステム（１６）と、パワーエレクトロニクスシステム（１６）とは反対側を向いたハウジング（１４）の外面（２６）から熱を放散するための第１の冷却回路（３０）と、第１の冷却回路（３０）から分離されており、ハウジング（１４）の内部（１２）と連通して、電気絶縁性流体によってパワーエレクトロニクスシステム（１６）を直接液冷するための第２の冷却回路（３６）と、を備えるパルスインバータ（１０）。パルスインバータ（１０）の良好な冷却は、低い熱容量を有する電気絶縁性流体を使用してハウジング（１４）内を冷却し、高い熱容量を有する非絶縁性流体を使用してハウジング（１４）の外面（２６）を冷却することによって実現される。【選択図】図１

Description

本考案は、ＤＣ自動車バッテリから、交流で自動車の電気機械を動作させることができる冷却パルスインバータに関する。

特許文献１に、コンバータ構成要素で発生する熱を吸収する目的で、ハウジングの内部に閉じ込められている誘電性流体を再冷却するために、コンバータモジュール用のハウジングの壁に冷却ダクトを設けることが開示されている。

特許文献２に、パルスインバータのハウジングを通して導かれ、電気絶縁性冷却剤を使用して電子半導体構成要素を直接冷却する冷却回路を使用して、電気自動車の電気モータ用のパルスインバータを冷却することが開示されている。

パルスインバータの冷却を改良する必要性が常にある。

欧州特許出願公開第２５５５６０６号明細書 独国特許出願公開第１０２０１７２０４１１２号明細書

本考案の目的は、パルスインバータを十分に冷却することが可能な手段を提供することである。

この目的は、本考案によれば、請求項１に記載の特徴を有するパルスインバータによって達成される。本考案の好ましい改良は、従属請求項及び以下の説明において特定され、これらは、各場合に個別に又は組み合わせて本考案の態様を表すことができる。ある特徴が別の特徴と組み合わせて示されているとき、これは本考案を簡略的に例示する目的でのみ使用され、その特徴が別の特徴を伴わないと本考案の発展形態になることができないことを意味するものではない。

一実施形態は、自動車バッテリから自動車の電気機械を動作させるためのパルスインバータであって、内部を画定するためのハウジングと、ハウジングの内部に提供された、直流を交流に変換するためのパワーエレクトロニクスシステムと、パワーエレクトロニクスシステムとは反対側を向いたハウジングの外面から熱を放散するための第１の冷却回路と、第１の冷却回路から分離されており、ハウジングの内部と連通して、電気絶縁性流体によってパワーエレクトロニクスシステムを直接液冷するための第２の冷却回路と、を備えるパルスインバータに関する。

パルスインバータを冷却するための冷却回路を１つだけ提供するのではなく、互いに独立して分離された２つの異なる冷却回路が提供される。第１の冷却回路はハウジングの外面を冷却し、第２の冷却回路はハウジングを通って流れ、ハウジング内を冷却する。それぞれの冷却回路は、例えば蒸発器及び／又は熱交換器、例えば自動車のフロントエンドクーラによって、冷却対象のパルスインバータの構成要素から離れた位置で、吸収された熱を放散することができ、それに対応して低温で熱をパルスインバータに供給することができる。第１の冷却回路は、第２の冷却回路が吸収することができなかった熱を吸収することができる。さらに、第１の冷却回路は、第２の冷却回路の流体から熱を吸収することができる。その結果、第２の冷却回路の流体の温度上昇を低く保つことができ、したがって、冷却対象の構成要素、特にパワーエレクトロニクスシステムと第２の冷却回路の流体との間の高い温度勾配を維持することができる。その結果、第２の冷却回路の冷却力を向上させることができる。第２の冷却回路を使用した冷却にもかかわらずハウジングの外面に達した熱は、第１の冷却回路によって吸収及び放散することができる。ここで、電気駆動可能な自動車の電気的動作の実施中に、第２の冷却回路の電気絶縁性流体の限られた熱容量によりパワーエレクトロニクスシステムの冷却が不十分であり得るという知識が利用される。第２の冷却回路に導電性流体、特に水／グリコール混合物を使用することもできるので、温度上昇が小さいとき、第１の冷却回路の流体によって大量の熱を吸収することができる。さらに、第２の冷却回路の流体は、乱流によって熱放出構成要素からハウジングに迅速に熱を搬送することができ、ハウジングで第１の冷却回路の流体が熱を放散することができる。その結果、冷却力は、それぞれ他方の冷却回路を有さない場合の第１の冷却回路及び第２の冷却回路のそれぞれの個別の冷却力の合計よりも高くなり得る。パルスインバータの良好な冷却は、低い熱容量を有する電気絶縁性流体を使用してハウジング内を冷却し、高い熱容量を有する非絶縁性流体を使用してハウジングの外面を冷却することによって実現される。

パルスインバータのハウジングは、第２の冷却回路の流体用の入口及び出口を有することができる。入口及び出口は、特にハウジングの壁に、互いにできるだけ離して提供され、それに対応して第２の冷却回路の流体が長い流路に沿ってハウジングを通って流れ、それに対応して大量の熱を吸収することができるようにする。入口及び／又は出口は、特に固定技術、特にパイプ接続を有し、これを使用して、第２の冷却回路の供給ラインを接続することができる。第１の冷却回路及び／又は第２の冷却回路は特に閉じられるように具現化され、その結果、それぞれの冷却回路用の流体を回路内で循環させて搬送することができる。基本的には、第１の冷却回路の少なくとも１つの冷却ダクトをハウジングの壁に設けることができる。ハウジングは、好ましくは、第１の冷却回路の少なくとも１つの冷却ダクトがハウジングの外面に配置されるように、第１の冷却回路から離隔されるように構成される。特に、ハウジングの外面は、第１の冷却回路の冷却ダクトの一部分を画定し、したがって、それに対応して低い熱伝導抵抗がハウジングと第１の冷却回路の流体との間に形成される。それにより、パルスインバータのハウジングの幾何形状への第１の冷却回路の複雑な統合が回避される。

第２の冷却回路に適した液体流体が、例えば国際公開第９５／０７３２３Ａ１号パンフレットに記載されており、上記特許文献の内容を、本明細書において本考案の一部として参照する。特に誘電体として機能する電気絶縁性冷却液を使用して実現される大幅に最適化された熱的接続及び／又は熱の放散により、パルスインバータの電力密度及び連続電力安定性を改良することもできる。それにより、このように構成されたパルスインバータは、特にスポーツカーやレーシングカーなどの高性能用途に適している。パワーエレクトロニクスシステム及び／又はさらなる構成要素を直接冷却することにより、短絡のリスクのない良好な冷却力を実現することができ、したがって、長い寿命、高い電力密度、及び高い連続電力安定性を備えたパルスインバータが、スポーツ車のための高性能用途でも実現可能になる。

パルスインバータは、自動車バッテリによって供給されるＤＣ電圧を多相ＡＣ電圧に変換して電気機械を動作させ、それにより電気機械を制御するように構成される。自動車は、パルスインバータを介して車両バッテリから電力供給される電気機械を使用して電気的に駆動することができる。自動車が特定の動作状況で電気的に駆動されることを意図されている場合、パルスインバータは、特定の要求されたトルクを電気的に提供するために対応する信号を受信する。このために、パルスインバータは、対応する電圧をそのパワーエレクトロニクスシステムに設定することができ、上記電圧は、電気機械に流れる対応する電流をもたらす。パワーエレクトロニクスシステムは、半導体スイッチを備えることができ、半導体スイッチは特にＭＯＳＦＥＴとして構成され、そのゲートは、所望のＡＣ電圧を生成するために、コントローラによって特にパルス幅変調又は空間ベクトル変調により駆動される。コンタクトレールを介してパワーエレクトロニクスシステムと並列に接続されたリンクコンデンサにより、リンクコンデンサを適宜充電し、再び放電することによって電圧及び電流リップルを平滑化することができる。

特に、パワーエレクトロニクスシステムに結合された、電圧リップル及び／又は電流リップルを平滑化するためのリンクコンデンサ、及び／又は、パワーエレクトロニクスシステム及び／又はリンクコンデンサの電子構成要素を切り替えるためのドライバ、及び／又は、作動信号に応答してパワーエレクトロニクスシステムを制御するためのコントローラが、ハウジングの内部に配置され、特に、リンクコンデンサ及び／又はドライバ及び／又はコントローラの周りに第２の冷却回路の流体が流れる。その結果、パワーエレクトロニクスシステムよりも熱の発生が少ないことがあるパルスインバータの構成要素は、第２の冷却回路の流体によって冷却することもでき、パルスインバータの冷却力、したがってパルスインバータの効率をさらに改良することができる。

パワーエレクトロニクスシステムは、特に、複数の半導体スイッチを有することができる整流セルを有することができる。特に、リンクコンデンサは、パワーエレクトロニクスシステムに統合することができ、例えば共通のプリント回路板をパワーエレクトロニクスシステムの残りの部分と共有することができ、代替として、リンクコンデンサは、パワーエレクトロニクスシステムの残りの部分と相互接続される別個のモジュールユニットとして提供することもできる。パワーエレクトロニクスシステムで使用される半導体スイッチは、特にシリコン（ＩＧＢＴ）ベース及び／又は炭化ケイ素（ＭＯＳＦＥＴ）ベースでよい。電圧及び／又は電流を検出するためのセンサは、好ましくはパワーエレクトロニクスシステムに統合される。

ゲートドライバとも呼ばれるドライバは、パワーエレクトロニクスシステムの半導体スイッチを作動させることができる。ドライバは、特に低インダクタンスでパワーエレクトロニクスシステムに接続され、このために、好ましくは、パワーエレクトロニクスシステムに特に近接して位置決めされる。ドライバは、パワーエレクトロニクスシステムに統合することができ、例えば共通のプリント回路板をパワーエレクトロニクスシステムの残りの部分と共有することができ、代替として、ドライバは、パワーエレクトロニクスシステムの残りの部分と相互接続される別個のモジュールユニットとして提供することもできる。

コントローラは、パワーエレクトロニクスシステムによって作動される電気機械の制御を提供することができる。コントローラは、特に設定すべきＡＣ電圧を計算することができ、ドライバを使用して、適切な変調方法、特にパルス幅変調又は空間ベクトル変調によってパワーエレクトロニクスシステムの半導体スイッチを作動させることができる。この場合、好ましくは、パワーエレクトロニクスシステムの制御を改良するために、パワーエレクトロニクスシステムでのセンサの測定値をコントローラに送信することができる。

コントローラは、好ましくは、第２の冷却回路の流体から離隔された乾燥空間に提供され、コントローラに接続された電線及び／又は信号線が、乾燥空間の仕切りを通って、第２の冷却回路と連通する内部に案内される。コントローラの構成及びその接続技術によっては、第２の冷却回路の流体が流れる内部の部分にコントローラを設けず、その部分が液密に封止されることが有利であり得る。したがって、コントローラの接続技術による流体の漏れを防ぐことができる。ここで、コントローラでの熱の発生は一般に性能を制限せず、コスト面から、コントローラのより費用対効果の高い接続技術が可能になる場合には、第２の冷却回路の流体により流体冷却システムを省くことができるという知識が利用される。その結果、不要なコストの増加を回避することができる。

特に好ましくは、ハウジングの内部に提供される電子構成要素及び／又は電線及び／又は信号線が導電性要素を有し、導電性要素の少なくとも一部分が流体と直接接触し、及び／又は導電性要素の少なくとも一部分が、防食材料、特にラッカー及び／又はポッティングコンパウンドによって覆われている。電気構成要素、特に半導体スイッチの構成に応じて、熱が発生する導電性材料と第２の冷却回路の非導電性流体との直接接触を可能にして、できるだけ低い熱伝導抵抗を実現することができる。例えば腐食作用による導電性材料の故障が懸念される場合、特にラッカー又はポッティングコンパウンドの形態での保護層を導電性材料と流体との間に提供することができ、その結果、低い熱伝導抵抗であるが十分に長い寿命が常に保証される。

特に第１の冷却回路と第２の冷却回路とが、クロスフロー構成でパワーエレクトロニクスシステムを冷却する。第１の冷却回路の平均流れ方向及び第２の冷却回路の平均流れ方向は、パルスインバータの領域内で実質的に直角に向けることができる。第１の冷却回路及び第２の冷却回路の流れ方向は、好ましくは実質的に水平に向けられ、特に第１の冷却回路及び第２の冷却回路の流れ方向は、垂直方向で互いにオフセットして提供することができる。例えば、第１の冷却回路は、ハウジングの下側で外面を冷却することができ、特に、下側の外面は、第１の冷却回路の冷却ダクトの一部分を画定する。

好ましくは、第１の冷却回路は、パワーエレクトロニクスシステムの広がりに対応する流れ断面を有し、内部及びハウジングの広がりが、パワーエレクトロニクスシステムの広がりよりも大きい。その結果、第１の冷却回路は、本質的に、パワーエレクトロニクスシステムが提供されるハウジングの部分領域のみを冷却する。この場合、一般にパワーエレクトロニクスシステムほど高温にならないパルスインバータの他の構成要素の十分な冷却が第２の冷却回路によってすでに実現され、したがって、第１の冷却回路による不必要に大きい領域にわたる冷却が回避されることを考慮に入れることができる。その結果、例えばより小さい寸法のポンプを用いて第１の冷却回路をより小さく寸法設定することができ、それにより、パルスインバータを冷却するために互いに別個の２つの冷却回路を提供しても、エネルギー需要の増加は驚くほど低い。

第２の冷却回路は、特に好ましくは、少なくともパワーエレクトロニクスシステムの領域で乱流を生成するように設計される。第２の冷却回路の流体の乱流は、パワーエレクトロニクスシステムからハウジングへの熱輸送を改良することができ、その結果、第１の冷却回路の流体に熱をより迅速に放散することができる。このために、第２の冷却回路は、それに対応して高い流量を有することができ、及び／又は第２の冷却回路の流体の流れを偏向及び／又は旋回させるための適切な案内要素がハウジングの内部に提供される。

特に、パワーエレクトロニクスシステム及び／又はさらなる構成要素は、ウェブを介して特にハウジングで支持され、ウェブは特にプリント回路板から突出し、第２の冷却回路は、ウェブ間に流体を搬送するように設定される。突出するウェブを使用して、それぞれの構成要素のハウジングとそれぞれの構成要素のプリント回路板との間で、パルスインバータの隣接部分、特にハウジング及び／又は導体レール及び／又は別の構成要素からの間隔を設けることができる。第２の冷却回路の流体は、この中間空間を通って流れて、それぞれの構成要素、特にパワーエレクトロニクスシステムの周りを流れて冷却することができる。ウェブは、好ましくはフロー技術の観点から最適化される。例えば、ウェブは、低い流れ抵抗を提供するために、円形、楕円形、楔形、及び／又は液滴形の断面を有する。

好ましくは、パワーエレクトロニクスシステムは、第１の冷却回路の流れ断面に突出する冷却構造を有する。例えば冷却リブとして構成されたパワーエレクトロニクスシステムの冷却構造は、パルスインバータのハウジングを通って第１の冷却回路の冷却ダクトに突出することができる。したがって、冷却力をさらに向上させることができる。

ハウジングは特に好ましくは金属材料から作製される。その結果、ハウジングは、プラスチック材料と比較して低い熱伝導抵抗を有することができ、その結果、第１の冷却回路の流体への熱放散がさらに改良される。

本考案を、好ましい例示的実施形態に基づいて添付図面を参照して例として以下に説明する。以下に提示する特徴は、それぞれ個別に又は組み合わせて本考案の態様を表すことができる。

パルスインバータの概略的な部分断面平面図である。 図１からのパルスインバータの第１の詳細の概略断面図である。 図１からのパルスインバータの第２の詳細の概略断面図である。 図１からのパルスインバータの第３の詳細の概略断面図である。

図１に示されるパルスインバータ１０を使用して、電気駆動可能な自動車の電気機械を動作させ、特に運転者の要求に応じて自動車の純電気駆動のために電気機械を適切に駆動し、自動車バッテリ、特に充電式トラクションバッテリから上記電気機械に電力供給することができる。このために、パルスインバータ１０は、金属ハウジング１４の内部１２に提供されるパワーエレクトロニクスシステム１６を有することができ、パワーエレクトロニクスシステム１６は、特にいくつかの部品から構成することができる。パワーエレクトロニクスシステム１６は、電線１８を介してリンクコンデンサ２０及びドライバ２２に電気的に接続することができる。ドライバ２２は、コントローラ２４によって作動させることができ、コントローラ２４は、特にパワーエレクトロニクスシステム１６内のセンサに接続することができ、上記センサは、例えば電圧及び／又は電流強度を測定する。コントローラ２４は、運転者の要求を検出することができ、このために、パワーエレクトロニクスシステム１６で測定された電圧及び／又は電流強度を考慮してドライバ２２を作動させ、その結果、ドライバ２２は、パワーエレクトロニクスシステム１６及び／又はリンクコンデンサ２０内の半導体スイッチを適切に切り替えることができる。

ハウジング１４、特にハウジング１４の下側は、ハウジング１４の外面２６に提供される第１の冷却回路３０の冷却ダクト２８を使用して冷却することができる。特に、第１の冷却回路３０の冷却ダクト２８は、パワーエレクトロニクスシステム１６も提供されるハウジング１４の表面領域にのみ提供される。さらに、ハウジングは、第２の冷却回路３６の電気絶縁性及び誘電性流体が第１の冷却回路３０に対してクロスフローでハウジング１４の内部１２を通って流れることができるように入口３２及び出口３４を有する。図示される例示的実施形態では、パワーエレクトロニクスシステム１６、リンクコンデンサ２０、ドライバ２２、及び電線１８の周りに第２の冷却回路３６の流体を流すことができ、コントローラ２４は、安全のために、第２の冷却回路３６の流体に対して封止された乾燥空間３８内に提供される。

図２に示されるように、バスバーとして構成された電線は、ウェブ４０を介して、パルスインバータ１０の構成要素、例えばパワーエレクトロニクスシステム１６及び／又はハウジング１４で支持することができる。ウェブ４０は、第２の冷却回路３６の流体がパルスインバータ１０及び／又はハウジングのそれぞれの構成要素に沿って流れることができる中間空間４２を形成する。

図３に示されるように、例えば、リンクコンデンサ２０は、ハウジング１４の両側で、ウェブ４０を介して離間して支持することができる。その結果、第２の冷却回路３６の流体は、リンクコンデンサ２０及び／又はパルスインバータ１０の別の構成要素の周りを両側で、及び／又は下側及び／又は上側で流れることができる。

図４に示されるように、例えば、パワーエレクトロニクスシステム１６は、冷却リブとして構成された冷却構造４４を有することができ、冷却リブは、ハウジング１４を通って第１の冷却回路３０の冷却ダクト２８に突出することができる。特に、パワーエレクトロニクスシステム１６がウェブ４０を介してハウジング１４から離間されているとき、第２の冷却回路３６の流体は、冷却構造４４から熱を放散することもできる。代替形態として、パワーエレクトロニクスシステム１６は、直接又は熱伝導パッドを介してハウジング１４に当接することができる。

１０ パルスインバータ
１２ 内部
１４ ハウジング
１６ パワーエレクトロニクスシステム
１８ 電線
２０ リンクコンデンサ
２２ ドライバ
２４ コントローラ
２６ 外面
３０ 第１の冷却回路
３６ 第２の冷却回路
３８ 乾燥空間
４０ ウェブ
４４ 冷却構造

Claims (10)

1. 自動車バッテリから自動車の電気機械を動作させるためのパルスインバータ（１０）であって、
   内部（１２）を画定するためのハウジング（１４）と、
   前記ハウジング（１４）の前記内部（１２）に提供された、直流を交流に変換するためのパワーエレクトロニクスシステム（１６）と、
   前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）とは反対側を向いた前記ハウジング（１４）の外面（２６）から熱を放散するための第１の冷却回路（３０）と、
   前記第１の冷却回路（３０）から分離されており、前記ハウジング（１４）の前記内部（１２）と連通して、電気絶縁性流体によって前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）を直接液冷するための第２の冷却回路（３６）と、
   を備えるパルスインバータ（１０）。
2. 前記パワーエレクトロニクスシステムに結合された、電圧リップル及び／又は電流リップルを平滑化するためのリンクコンデンサ（２０）、及び／又は、前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）及び／又は前記リンクコンデンサ（２０）の電子構成要素を切り替えるためのドライバ（２２）、及び／又は、作動信号に応答して前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）を制御するためのコントローラ（２４）が、前記ハウジング（１４）の前記内部（１２）に配置され、特に、前記リンクコンデンサ（２０）及び／又は前記ドライバ（２２）及び／又は前記コントローラ（２４）の周りに前記第２の冷却回路（３６）の前記流体が流れることを特徴とする請求項１に記載のパルスインバータ。
3. 前記コントローラ（２４）が、前記第２の冷却回路（３６）の前記流体から離隔された乾燥空間（３８）に提供され、前記コントローラ（２４）に接続された電線（１８）及び／又は信号線が、前記乾燥空間（３８）の仕切りを通って、前記第２の冷却回路（３６）と連通する前記内部（１２）に案内されることを特徴とする請求項２に記載のパルスインバータ。
4. 前記ハウジング（１４）の前記内部（１２）に提供される電子構成要素及び／又は電線（１８）及び／又は信号線が導電性要素を有し、前記導電性要素の少なくとも一部分が前記流体と直接接触し、及び／又は前記導電性要素の少なくとも一部分が、防食材料、特にラッカー及び／又はポッティングコンパウンドによって覆われていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のパルスインバータ。
5. 前記第１の冷却回路（３０）と前記第２の冷却回路（３６）とが、クロスフロー構成で前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）を冷却することを特徴とする請求項１に記載のパルスインバータ。
6. 前記第１の冷却回路（３０）が、前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）の広がりに対応する流れ断面を有し、前記内部（１２）及び前記ハウジング（１４）の広がりが、前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）の前記広がりよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のパルスインバータ。
7. 前記第２の冷却回路（３６）が、少なくとも前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）の領域で乱流を生成するように設計されていることを特徴とする請求項１に記載のパルスインバータ。
8. 前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）及び／又はさらなる構成要素が、ウェブ（４０）を介して特に前記ハウジング（１４）で支持され、前記ウェブ（４０）が特にプリント回路板から突出し、前記第２の冷却回路（３６）が、前記ウェブ（４０）間に前記流体を搬送するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のパルスインバータ。
9. 前記パワーエレクトロニクスシステム（１６）が、前記第１の冷却回路（３０）の流れ断面に突出する冷却構造（４４）を有することを特徴とする請求項１に記載のパルスインバータ。
10. 前記ハウジング（１４）が金属材料から作製されることを特徴とする請求項１に記載のパルスインバータ。

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