WO2025157653A1

WO2025157653A1 - Leistungselektronikeinheit

Info

Publication number: WO2025157653A1
Application number: PCT/EP2025/050915
Authority: WO
Inventors: Marco KEMPE; Christoph Wolf; Martin Krämer; Bettina ERBEN
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-01-24
Filing date: 2025-01-15
Publication date: 2025-07-31
Anticipated expiration: 2026-07-24
Also published as: DE102024200611A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikeinheit (1) mit zumindest zwei elektronischen Leistungsmodulen (2), mit einer Halterung (6), die die Leistungsmodule (2) in einer Stellung hält, in der sie unter Bildung eines Zwischenraums (9) nebeneinander angeordnet sind und sich mit ihren zu kühlenden Hauptseitenflächen (3) gegenüberliegen, und mit einer in dem Zwischenraum (9) angeordneten Kühleinrichtung (10), die derart gestaltet ist, dass sie mittels einer Kühlflüssigkeit die Leistungsmodule (2) über ihre Hauptseitenflächen (3) kühlt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung (10) zumindest ein von der Kühlflüssigkeit durchströmtes Kühlelement (11) aufweist, wobei das Kühlelement (11) eine fluiddichte Kühlflüssigkeitshülle (15) aufweist, die einen von der Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlflüssigkeitsraum (16) umgibt und zwei sich gegenüberliegende flexible Flächen (19) enthält, die bei Druckbeaufschlagung durch die das Kühlelement (11) durchströmende Kühlflüssigkeit an den beiden zu kühlenden Hauptseitenflächen (3) der Leistungsmodule (2) in wärmeabführendem Kontakt flächig anliegen.

Description

Beschreibung

Leistungselektronikeinheit

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikeinheit, insb. einen Inverter oder einen Leistungsinverter, speziell für ein elektrisches Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest zwei elektronischen Leistungsmodulen, mit einer Halterung, die die Leistungsmodule in einer Stellung hält, in der sie unter Bildung eines Zwischenraums nebeneinander angeordnet sind und sich mit ihren zu kühlenden Hauptseitenflächen gegenüberliegen, und mit einer Kühleinrichtung zur Kühlung der Leistungsmodule.

Aus der DE 10 2017 214 482 A1 ist eine gattungsgemäße Leistungselektronikeinheit bekannt geworden, bei der zumindest zwei Leistungsmodule in einem Gehäuse derart gehalten sind, dass zwischen ihnen ein Zwischenraum gebildet ist. In dem Zwischenraum sind ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil angeordnet, die einerseits an einer Hauptseitenfläche des ersten Leistungsmoduls bzw. an einer Hauptseitenfläche des zweiten Leistungsmoduls flächig anliegen und andererseits zwischen sich eine Passage für ein Kühlmedium bilden. Von den Leistungsmodulen erzeugte Wärme wird von ihren zu kühlenden Hauptseitenflächen über die beiden Gehäuseteile an das Kühlmedium abgegeben. In der Passage ist eine flexible Kühlstruktur angeordnet, mit der durch Strömungslenkung oder Turbulenzerzeugung im Kühlmedium eine verbesserte Wärmeübertragung erzielt werden soll. Bei der Montage der Leistungselektronikeinheit werden die die Leistungsmodule haltenden Gehäuseteile zusammengefügt. Die Kühlstruktur ist derart flexibel ausgebildet, das die beiden sich beim Zusammenfügen annähernden Gehäuseteile die Kühlstruktur stauchen können. Dadurch ist sichergestellt, dass sich die Kühlstruktur mit einer gewissen Vorspannkraft an die beiden wärmeübertragenden Gehäuseteile anlegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Leistungselektronikeinheit bereitzustellen, die im Hinblick auf die Kühleinrichtung verbessert ist.

Die Aufgabe wird bei der eingangs genannten Leistungselektronikeinheit dadurch gelöst, dass die Kühleinrichtung zumindest ein von einer Kühlflüssigkeit durchströmtes Kühlelement aufweist, das in dem Zwischenraum zwischen den beiden Leistungsmodulen angeordnet ist und derart gestaltet ist, mittels der Kühlflüssigkeit die Leistungsmodule über ihre Hauptseitenflächen zu kühlen. Das Kühlelement weist eine fluiddichte Kühlflüssigkeitshülle auf, die einen von der Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlflüssigkeitsraum umgibt und zwei sich gegenüberliegende flexible Flächen enthält, die bei Druckbeaufschlagung durch die das Kühlelement durchströmende Kühlflüssigkeit an den beiden zu kühlenden Hauptseitenflächen der Leistungsmodule in wärmeabführendem Kontakt flächig anliegen.

Hierbei erfolgt das wärmeabführende flächige Anliegen der flexiblen Flächen der Kühlflüssigkeitshülle des Kühlelements an den beiden zu kühlenden Hauptseitenflächen der Leistungsmodule durch eine (reversibel) flexible Verformung dieser Flächen unter Einwirkung des Drucks durch die das Kühlelement durchströmende Kühlflüssigkeit und durch eine entsprechende Anpassung der Außenkontur bzw. die äußere Form der Kühlflüssigkeitshülle und somit des Kühlelements an die Außenstruktur bzw. die äußere Form der angrenzenden Hauptseitenflächen der zu kühlenden Leistungsmodule.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine solche erfindungsgemäße Leistungselektronikeinheit ist für einen Einsatz z. B. bei batterieelektrischen Fahrzeugen vorgesehen, deren Antriebsstränge

Hochvoltbatterien mit z. B. 400 V oder 800 V nutzen, die auch Zusatzaggregate mit 48 V und 12 V versorgen müssen. Die Leistungselektronikeinheit ist als Wandler für die DC/DC-Wandlung ausgelegt. Weiterhin kann eine solche Leistungselektronikeinheit dafür ausgelegt sein, in einem Inverter die AC/DC-Wandlung beim Laden der Hochvoltbatterie des Fahrzeugs vorzunehmen.

Die Leistungselektronikeinheit weist zwei oder mehrere Leistungsmodule auf. Ein solches Leistungsmodul weist Halbleiter auf, die sich im Betrieb stark erwärmen. Das Leistungsmodul ist zweckmäßigerweise teilweise oder im Wesentlichen vollständig in Mold-Masse aus nichtleitendem Material wie Kunststoff eingebettet. Die erzeugte Wärme wird über eine Kühleinrichtung abgeführt. Das Leistungsmodul ist derart gestaltet, dass es zwei sich gegenüberliegende Außenseiten aufweist, die als Hauptseitenflächen bezeichnet werden und über die die Kühlung mittels der Kühlelemente erfolgt. Die fluiddichte Kühlflüssigkeitshülle ist in dem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten und sich mit ihren Hauptseitenflächen gegenüberliegenden Leistungsmodulen angeordnet. Die Kühlflüssigkeitshülle wird durch den Druck der sie durchströmenden Kühlflüssigkeit ausgebaucht und an die erwärmten und zu kühlenden Hauptseitenflächen der beiden Leistungsmodule angelegt oder angedrückt. In Abhängigkeit des von der Kühlflüssigkeit auf die Kühlflüssigkeitshülle aufgebrachten Drucks variiert der Anteil oder die Größe der flexiblen Fläche, mit der die Kühlflüssigkeitshülle an den Hauptseitenflächen anliegt oder angedrückt wird. Das Kühlelement ist zweckmäßigerweise derart gebildet, dass die Kühlflüssigkeitshülle bei entsprechend hohem Druck der Kühlflüssigkeit im Wesentlichen die gesamte Fläche der Hauptseitenfläche jedes der beiden Leistungsmodule in flächigem wärmeübertragendem Kontakt kontaktiert. Zweckmäßigerweise entspricht die Größe der Kühlflüssigkeitshülle demnach in etwa der Größe des Leistungsmoduls.

Zweckmäßigerweise ist eine zumindest einen Temperatursensor aufweisende Steuer- oder Regeleinrichtung zum Einstellen des Flüssigkeitsdrucks der Kühlflüssigkeit in der Kühlflüssigkeitshülle des Kühlelements vorgesehen. Mit einer solchen Steuer- oder Regeleinrichtung ist die Kühlleistung über den jeweiligen Druck, mit dem die Kühlflüssigkeitshülle gegen das Leistungsmodul gedrückt wird, bedarfsweise anpassbar. Somit ist eine temperaturabhängig regelbare aktive Kühlung der Leistungsmodule ermöglicht. Beispielsweise kann bei niedriger Temperatur wie z. B. bei einem Kaltstart des elektrischen Antriebsmotors eines Fahrzeugs die Kühlleistung durch Reduzieren des Drucks der Kühlflüssigkeit verringert oder gänzlich abgeschaltet werden. Grundsätzlich ist ein gezieltes Regeln der Kühlleistung durch Erhöhung oder durch Verringerung des die Kühlflüssigkeitshülle gegen das Leistungsmodul drückenden Anpressdrucks möglich. Dabei können Daten einer integrierten Temperaturmessung des Leistungsmoduls zur Steuerung eines Durchflussbegrenzers verwendet werden, der z. B. als piezomechanisches Ventil gebildet ist und den Durchfluss der Kühlflüssigkeit durch die Kühlelemente regelbar begrenzt.

Die Kühlflüssigkeitshülle passt sich aufgrund ihrer Flexibilität an Unebenheiten oder an Formveränderungen der Leistungsmodule an ihren Hauptseitenflächen an. Dadurch wird ein inniger Kontakt zwischen der Kühlflüssigkeitshülle und der Hauptseitenfläche des Leistungsmoduls auch bei Formveränderungen der Leistungsmodule aufgrund von Temperaturschwankungen oder hoher Temperaturunterschiede und auch aufgrund von Alterungsprozessen der Leistungsmodule beibehalten. Weiterhin werden auch Formveränderungen in der Anordnung der Leistungsmodule relativ zu den Kühlelementen bzw. zur Kühlflüssigkeitshülle, insbesondere aufgrund von Temperaturschwankungen oder hoher Temperaturunterschiede, wie auch während des Betriebs möglicherweise vorhandene Luftspalte ausgeglichen. Die Anforderungen an die Qualität und die Formgenauigkeit der Leistungsmodule an ihren Hauptseitenflächen kann somit reduziert werden.

Die Kühlflüssigkeitshülle ist grundsätzlich derart gestaltet, dass sie sich in ihrer Anordnung im Zwischenraum flächig in die zwei entgegengesetzten Richtungen zu den Leistungsmodulen hin flexibel ausbauchen kann. Die Kühlflüssigkeitshülle kann aus jedem flexiblen fluiddichten Material wie z. B. aus einem insbesondere beschichteten Gewebe hergestellt sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kühlflüssigkeitshülle oder zumindest ihre flexiblen Flächen von einer flexiblen Folie gebildet ist bzw. sind. Eine solche flexible Folie ist z. B. eine Metallfolie oder eine Kunststofffolie oder auch eine Mehrschichtfolie. Die Kühlflüssigkeitshülle ist insbesondere durch Verschweißen oder Verkleben von einer Folie oder von mehreren solcher Folienstücke gebildet. Weiterhin kann die Kühlflüssigkeitshülle in der Art eines geschlossenen Beutels oder Folienbeutels gebildet sein.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kühlelement einen die Kühlflüssigkeitshülle tragenden Rahmen aufweist. Der Rahmen ist vorzugsweise rechteckig und weist eine solche Größe auf, dass er die Kühlflüssigkeitshülle in dem Zwischenraum in etwa deckungsgleich zu den Hauptseitenflächen der beiden Leistungsmodule in einer stabilen Position hält. Der Rahmen ist vorzugsweise aus einem Kunststoff wie Polyamid hergestellt. Die zwei Folien, die die Kühlflüssigkeitshülle bilden, sind am Rahmen z. B. durch Laminieren oder Verkleben fluiddicht angebracht. Zweckmäßigerweise ist die Kühlflüssigkeitshülle mit einem festen oder verstärkten umlaufenden Rand gebildet, mit dem die Kühlflüssigkeitshülle an dem Rahmen befestigt ist. Die Befestigung erfolgt z. B. durch Klemmen, Nieten oder Verschweißen. Zweckmäßigerweise enthält der Rand der Kühlflüssigkeitshülle mehrere Befestigungsöffnungen für einen Durchgriff von Schrauben, die an zugeordneten Anschraubpunkten oder Anschrauböffnungen des Rahmens festlegbar sind und den Rand bzw. die Kühlflüssigkeitshülle lösbar an dem Rahmen halten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halterung einen Schaltungsträger aufweist, der beispielsweise von einer Platine oder einer Leiterplatte oder PCB (printed circuit board) oder einem keramischen Substrat, wie z. B. DCB- oder AM B-Substrat, gebildet ist. An dem Träger sind Steckverbinder für die Leistungsmodule und Rahmenhalterungen für die Rahmen der Kühlelemente in abwechselnder Reihenfolge angeordnet. Zweckmäßigerweise erfolgt über die Steckverbinder auch die elektrische und/oder elektronische Kontaktierung der Leistungsmodule, die z. B. mittels einer Kontaktleiste in die Steckverbinder eingesteckt sind und von diesen gehalten werden. Über den Träger können somit elektrische oder elektronische Funktionen wie z. B. Strom Übertragung und Signalübertragung oder auch Treiber- und Steuerfunktionen übertragen werden.

Zweckmäßigerweise enthalten die Kühlflüssigkeitshüllen der Kühlelemente Zulaufanschlüsse und Ablaufanschlüsse für die Kühlflüssigkeit. Die Zulaufanschlüsse und Ablaufanschlüsse sind an den Kühlelementen in solchen Positionen angeordnet, dass die Kühlelemente bzw. die Kühlflüssigkeitshüllen über die Zulauf- und Ablaufanschlüsse strömungstechnisch in Reihenschaltung oder alternativ hierzu in Parallelschaltung miteinander verbunden sind.

Zweckmäßigerweise ist die Kühleinrichtung mit den Kühlelementen an einen Hauptkühlkreislauf einer die Leistungselektronikeinheit aufweisenden elektrischen Antriebseinheit eines Fahrzeugs angeschlossen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Hinblick auf eine EMV-Abschirmung der Leistungsmodule die Folie elektrisch leitend ist und eine elektrisch isolierende Oberflächenschicht aufweist. Die eine Seite der Folie ist somit elektrisch leitend und die andere Seite der Folie ist elektrisch isoliert. Eine Folie mit einer elektrisch isolierenden Oberflächenschicht ist z. B. eine Mehrschichtfolie oder Verbundfolie, bei der zumindest die Oberflächenschicht elektrisch isolierend ist. Bei der EMV-Abschirmung erzeugter Strom wird über die mit einem Massepotential (GND oder ground) verbundene leitende Seite der Folie abgeleitet. Die die Folie an ihrer elektrisch isolierten Oberflächenschicht kontaktierenden Leistungsmodule können daher bei dieser Ausführungsform offenliegende metallische Bereiche an ihren Hauptseitenflächen aufweisen, die der isolierten Seite der Folie zugewandt sind und diese kontaktieren. Eine Isolierung des Leistungsmoduls an seiner Hauptseitenfläche ist nicht erforderlich.

In alternativer Gestaltung ist gleichfalls im Hinblick auf eine EMV-Abschirmung die Folie elektrisch leitend gebildet oder sie weist eine elektrisch leitende Oberflächenschicht auf. Eine elektrisch leitende Folie ist z. B. eine Metallfolie aus einem elektrisch leitenden Metall. Eine Folie mit einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht ist z. B. eine Mehrschichtfolie oder Verbundfolie, bei der zumindest die Oberflächenschicht elektrisch leitend ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Leistungsmodule an ihrer der leitenden Folie bzw. der leitenden Seite der Folie zugewandten Hauptseitenfläche elektrisch isoliert gebildet, z. B. aus elektrisch isolierendem Material wie z. B. durch eine Kunststoff-Umschäumung oder Kunststoff-Umspritzung oder durch eine die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile des Leistungsmoduls einbettende Mold-Masse aus nichtleitendem Material oder Kunststoff. Bei der EMV-Abschirmung erzeugter Strom wird über die mit dem Massepotential (GND oder ground) verbundene Folie abgeleitet.

Die voranstehend beschriebenen Gestaltungen vermeiden demnach einen im Hinblick auf die EMV-Abschirmung unzulässigen Kontakt zwischen leitendem Metall bzw. der elektrisch leitenden Folie und leitendem Metall des Leistungsmoduls an seiner wärmeübertragenden Hauptseitenfläche.

Im Hinblick auf eine EMV-Abschirmung ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass am Rahmen zumindest eine elektrisch leitende Abschirmschicht zur EMV-Abschirmung angeordnet ist. Diese zusätzliche Abschirmschicht, beispielsweise ein Kupferblech oder eine leitende Abschirmfolie, erhöht die EMV-Abschirmung der Leistungsmodule der Leistungselektronikeinheit. Vorzugsweise ist die elektrisch leitende Abschirmschicht im Kühlflüssigkeitsraum des Kühlelements bzw. in der Kühlflüssigkeitshülle angeordnet. Eine Ableitung des durch EMV-Strahlung erzeugten Stroms erfolgt über die Kühlflüssigkeit oder über ein an der Abschirmschicht angeschlossenes Kabel, das mit einem Massepotential verbunden ist. Jedoch kann die zusätzliche Abschirmschicht auch außerhalb der Kühlflüssigkeitshülle und an diese flächig angrenzend vorgesehen sein.

Die flexible Kühlflüssigkeitshülle ersetzt somit ein aus dem Stand der Technik bekanntes starres Kühlelement aus Metall, das z. B. mittels einer Verklebung oder mittels einer Wärmeleitpaste an dem Leistungsmodul angebracht und mit diesem thermisch gekoppelt ist. Durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien des Kühlelements und des z. B. in eine Kunststoff-Mold-Masse eingebetteten Leistungsmoduls kann es zu einer Ablösung des Kühlelements kommen, wodurch die Wärmeübertragung bei der Kühlung des Leistungsmoduls verringert oder sogar weitgehend unterbunden wird. Diesen nachteiligen Effekt vermeidet die flexible Kühlflüssigkeitshülle der erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit.

Nachfolgend wird eine erfindungsgemäße Leistungselektronikeinheit anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischen Darstellungen:

Fig. 1 in einer Schnittansicht eine Leistungselektronikeinheit mit elektronischen Leistungsmodulen und Kühlelementen;

Fig. 2 in einer Schnittansicht eines der Kühlelemente der in Fig. 1 dargestellten Leistungselektronikeinheit; und

Fig. 3 in einer Seitenansicht die Leistungselektronikeinheit.

Eine Leistungselektronikeinheit 1 weist mehrere elektronische Leistungsmodule 2 auf. Eine solche Leistungselektronikeinheit 1 ist für einen Einsatz z. B. bei batterieelektrischen Fahrzeugen vorgesehen, deren Antriebsstränge Hochvoltbatterien mit z. B. 400 V oder 800 V nutzen, die auch Zusatzaggregate mit 48 V und 12 V versorgen müssen. Die Leistungselektronikeinheit 1 ist als Wandler für die DC/DC-Wandlung ausgelegt. Weiterhin kann eine solche Leistungselektronikeinheit 1 dafür ausgelegt sein, in einem Inverter die AC/DC-Wandlung beim Laden der Hochvoltbatterie des Fahrzeugs vorzunehmen. Die Leistungsmodule 2 weisen Halbleiterbauteile auf, die sich im Betrieb erwärmen und die gekühlt werden müssen.

Die in Fig. 1 dargestellte Leistungselektronikeinheit 1 weist drei Leistungsmodule 2 auf. Die Leistungsmodule 2 sind gleich oder ähnlich aufgebaut und weisen grundsätzlich eine in etwa rechteckige Form mit zwei sich gegenüberliegenden Außenseiten auf, die Hauptseitenflächen 3 des Leistungsmoduls 2 bilden. Jedes Leistungsmodul 2 weist an seinem Unterrand 4 eine Kontakteinheit 5 auf, z. B. eine Kontaktleiste, die am Leistungsmodul 2 nach unten vorragt. Die Leistungselektronikeinheit 1 weist des Weiteren eine Halterung 6 auf, an der die Leistungsmodule 1 gehalten sind. Die Halterung 6 enthält einen Schaltungsträger 7 wie z. B. eine Platine oder eine Leiterplatte bzw. ein PCB (printed circuit board). Die Halterung 6 weist Steckverbinder 8 für die Leistungsmodule 2 auf. Die Leistungsmodule 2 sind mittels ihrer Kontaktleiste in die Steckverbinder 8 eingesteckt und werden von diesen gehalten. Die Steckverbinder 8 enthalten auch elektrische Kontakte für eine elektrische Kontaktierung des Leistungsmoduls 2.

Die Steckverbinder 8 sind an dem Träger 7 derart nebeneinander und voneinander beabstandet angeordnet, dass die Leistungsmodule 2 in einer zum Träger 7 aufrechten Stellung und zueinander parallel angeordnet sind. Jeweils zwei benachbarte Leistungsmodule 2 sind mit einem einen definierten Zwischenraum 9 bildenden Abstand voneinander angeordnet. Die beiden den Zwischenraum 9 begrenzenden Leistungsmodule 2 liegen sich mit ihren jeweiligen Hauptseitenflächen 3 gegenüber. Die Abstände zwischen jeweils zwei Leistungsmodulen 2 sind zweckmäßigerweise gleich groß.

Eine Kühleinrichtung 10 zum Abführen von in den Leistungsmodulen 2 erzeugter Wärme weist mehrere gleichartig aufgebaute Kühlelemente 11 auf. Jeweils ein Kühlelement 11 ist in den beiden Zwischenräumen 9 zwischen zwei benachbarten Leistungsmodulen 2 angeordnet (Fig. 1 ). Jeweils ein weiteres Kühlelement 11 ist außenseitig an den beiden äußeren Leistungsmodulen 2 vor ihren jeweils äußeren Hauptseitenflächen 3 angeordnet. Diese beiden weiteren bezüglich der Gruppe von Leistungsmodulen 2 außenliegenden Kühlelemente 11 grenzen auf ihrer dem jeweils angrenzenden Leistungsmodul 2 abgewandten Seite 12 an eine Stützstruktur 13 an, die eine außenseitige Abstützung des Kühlelements 11 bereitstellt. Der Abstand der Stützstruktur 13 von der äußeren Hauptseitenfläche 3 des äußeren Leistungsmoduls 2 entspricht zweckmäßigerweise dem Abstand zwischen zwei Leistungsmodulen 2. Die Stützstruktur 13 ist beispielsweise am Träger 7 oder und/oder an einem Gehäuse (nicht dargestellt) der Leistungselektronikeinheit 1 befestigt oder ein Teil des Gehäuses.

Jedes Kühlelement 11 enthält einen vorzugsweise rechteckigen Rahmen 14, an dem eine Kühlflüssigkeitshülle 15 befestigt ist, die einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlflüssigkeitsraum 16 umgibt. Die Kühlflüssigkeitshülle 15 ist aus einer flexiblen Folie 17 hergestellt. Zwei Stücke der flexiblen Folie 17 weisen eine solche Größe und Form auf, dass sie voneinander beabstandet mit ihren Rändern 18 an dem Rahmen 14 fluiddicht befestigt sind und zwischen sich den Kühlflüssigkeitsraum 16 bilden. Der Rahmen 14 ist z. B. aus einem Kunststoff wie z. B. Polyamid hergestellt, an den die beiden Folien 17 z. B. durch Laminieren fluiddicht angebracht sind. Die beiden flexibel verformbaren Folien 17 bilden Flächen 19 der Kühlflüssigkeitshülle 15, die zur Anlage an die zu kühlenden Hauptseitenflächen 3 der Leistungsmodule 2 vorgesehen sind. Die Halterung 6 der Leistungselektronikeinheit 1 weist eine Rahmenhalterung mit Rahmenhalteteilen 20 auf, die an dem T räger 7 derart befestigt sind, dass sie sich in Richtung der Reihenanordnung der sich abwechselnden Leistungsmodule 2 und der Kühlelemente 11 ebenfalls mit den Steckverbindern 8 abwechseln. Die Rahmenhalterung eines Rahmens 14 weist z. B. zwei in Längsrichtung des Rahmens 14 voneinander beabstandete Rahmenhalteteile 20 auf, die z. B. in Gestalt von Klammem gebildet sind und in die der Rahmen 14 mit einem unteren Rahmenteil 21 eingesteckt und in aufrechter Stellung gehalten ist. Die Rahmenhalterung kann zusätzlich eine Fixierung der Rahmen 14 z. B. an ihren oberen Rahmenteilen 22 aufweisen. Die Fixierung (nicht dargestellt) kann sich insbesondere an dem Gehäuse abstützen.

Jedes Kühlelement 11 weist einen Zulaufanschluss 23 und einen Ablaufanschluss 24 für die das Kühlelement 11 durchströmende Kühlflüssigkeit auf. Die Zulaufanschlüsse 23 und die Ablaufanschlüsse 24 der in Fig. 1 dargestellten Kühlelement 11 sind derart angeordnet und miteinander verbunden, dass die Kühlelemente 11 in einem eine Reihenschaltung bildenden Kühlkreislauf angeordnet sind und die Kühlflüssigkeit die Kühlelemente 11 in dieser Reihenschaltung durchströmt. Hierfür enthält das in der Anordnung der Fig. 1 erste linke Kühlelement 11 den Zulaufanschluss 23 in seinem oberen Bereich, vorzugsweise an der linken Folie 17 der Kühlflüssigkeitshülle 15. Der Ablaufanschluss 24 befindet sich im unteren Bereich des Kühlelements 11 , vorzugsweise an der gegenüberliegenden rechten Folie 17 der Kühlflüssigkeitshülle 15. Eine untere Verbindungsleitung 25 verbindet den Ablaufanschluss 24 des ersten Kühlelements 11 mit dem Zulaufanschluss 23 des zweiten Kühlelements 11. Eine obere Verbindungsleitung 25 verbindet den Ablaufanschluss 24 des zweiten Kühlelements 11 mit dem Zulaufanschluss 23 des dritten Kühlelements 11 . Diese einer Reihenschaltung folgende Anordnung der Zulaufanschlüsse 23 und der Ablaufanschlüsse 24 sowie ihrer Verbindungsleitungen 25 setzt sich über alle Kühlelemente 11 fort, auch wenn die Leistungselektronikeinheit 1 mehr als die dargestellten vier Kühlelemente 11 für mehr als drei Leistungsmodule 2 aufweist.

Alternativ zu der dargestellten Reihenschaltung sind die Zulaufanschlüsse 23 und die Ablaufanschlüsse 24 sowie ihre Verbindungsleitungen 25 derart angeordnet, dass die Kühlelemente 1 in einem eine Parallelschaltung bildenden Kühlkreislauf angeordnet sind und die Kühlflüssigkeit die Kühlelemente 11 in dieser Parallelschaltung durchströmt. Hierfür weist jedes Kühlelement 11 sowohl in seinem oberen Bereich wie auch in seinem unteren Bereich jeweils zumindest einen Zulaufanschluss 23 und einen Ablaufanschluss 24 auf.

Die Leistungselektronikeinheit 1 weist zur EMV-Abschirmung eine Abschirmeinrichtung mit zumindest einem Abschirmmittel auf. Ein solches Abschirmmittel stellt die Folie 17 in einer solchen bevorzugten ersten Ausführungsform dar, in der sie aus elektrisch leitendem Material gebildet ist, das eine EMV-Abschirmschicht bildet, und eine elektrisch isolierende Oberflächenschicht aufweist. Bei der EMV-Abschirmung erzeugter Strom wird über die im Kühlkreislauf zirkulierende und die EMV-Abschirmschicht kontaktierende Kühlflüssigkeit abgeleitet. Die Kühlflüssigkeit ist mit einem Massepotential (GND oder ground) verbunden, z. B. mit einem Fahrzeugrahmen bei einem Einsatz der Leistungselektronikeinheit 1 bei einem elektrischen Fahrzeugantrieb.

Ein solches Abschirmmittel stellt die Folie 17 des Weiteren auch in einer solchen bevorzugten zweiten Ausführungsform dar, in der sie aus elektrisch leitendem Material gebildet ist oder eine elektrisch leitende Oberflächenschicht aufweist und somit eine EMV-Abschirmung bereitstellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Leistungsmodule an ihrer der Folie zugewandten Hauptseitenfläche elektrisch isoliert gebildet, z. B. durch eine Kunststoff-Umschäumung oder Kunststoff-Umspritzung oder durch eine die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile des Leistungsmoduls einbettende Mold-Masse aus nichtleitendem Material oder Kunststoff. Bei der EMV-Abschirmung erzeugter Strom wird über die mit dem Massepotential (GND oder ground) verbundenen Folie 17 abgeleitet.

Die Folie 17 kann des Weiteren gemäß einer bevorzugten dritten Ausführungsform aus elektrisch isolierendem Material ohne eine elektrisch leitende und eine EMV-Abschirmung bereitstellende Schicht gebildet sein. Zur EMV-Abschirmung ist ein weiteres Abschirmmittel vorgesehen, das von zumindest einer elektrisch leitenden Abschirmschicht 26 gebildet ist, die am Rahmen 14 des Kühlelements 11 angeordnet ist und bei den voranstehend erläuterten ersten und zweiten Ausführungsformen der Folie 17 optional einsetzbar ist. Die Abschirmschicht 26 ist z. B. aus einem Kupferblech gebildet. Die Abschirmschicht 26 erstreckt sich flächig und vorzugsweise in einer zentralen Ebene des Rahmens 14. Die Abschirmschicht 26 ist im Kühlflüssigkeitsraum des Kühlelements 11 bzw. in der Kühlflüssigkeitshülle 15 angeordnet. Eine Ableitung des bei der EMV-Abschirmung erzeugten Stroms erfolgt über die Kühlflüssigkeit oder über ein an der Abschirmschicht 26 angeschlossenes und mit dem Massepotential verbundenes Kabel 27. Das Kabel 27 ist zweckmäßigerweise durch den Rahmen 14 nach außen geführt.

Weiterhin kann die Abschirmschicht 26 auch am Rahmen 14 derart angebracht sein, dass sie außerhalb der Kühlflüssigkeitshülle 15 angeordnet ist, die vom Rahmen 14 umgebene Rahmenöffnung abdeckt und an der Kühlflüssigkeitshülle 15 flächig anliegt. Die Kühlung oder Wärmeableitung von dem Leistungsmodul 2 erfolgt über diese Abschirmschicht 26 und die Kühlflüssigkeitshülle 15 zur Kühlflüssigkeit. Die Abschirmschicht 26 ist zweckmäßigerweise dünn und derart flexibel gebildet, dass sie sich an die Kühlflüssigkeitshülle 15 anpassen kann.

Die Abschirmschicht 26 kann aber auch als verformungssteife Struktur gebildet sein, z. B. als Kupferblech, die am Rahmen 14 des Kühlelements 11 angebracht ist und die Rahmenöffnung abdeckt. Die am Rahmen 14 angebrachte Kühlflüssigkeitshülle 15 legt sich unter Druckbeaufschlagung durch die Kühlflüssigkeit an die Abschirmschicht 26 an. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei den außenliegenden Kühlelementen 11 einsetzbar, die jeweils von der zugeordneten Stützstruktur 13 begrenzt sind. Die Stützstruktur 13 bildet die Abstützfläche für die Abschirmschicht 26. Gemäß einer demgegenüber abgewandelten Ausführungsform ist die Stützstruktur 13 mit dem Rahmen 14 fest verbunden und wird von dem Rahmen 14 getragen. Das Kühlelement 11 hat somit eine von der Stützstruktur 13 gebildete Außenseite. Die Abschirmschicht 26 ist vorzugsweise an der der Kühlflüssigkeitshülle 15 abgewandten Außenseite der Stützstruktur 13 angeordnet, kann aber auch an der der Kühlflüssigkeitshülle 15 zugewandten Innenseite der Stützstruktur 13 angeordnet sein. In jedem Fall ist somit eine EMV-Abschirmung auf einer solchen Seite des Kühlelements 11 vorgesehen, an der sich kein Leistungsmodul 2 befindet.

Bei der Leistungselektronikeinheit 1 wird somit die Kühlflüssigkeitshülle 15 durch den Druck der sie durchströmenden Kühlflüssigkeit beaufschlagt und ausgebaucht und dabei an die erwärmten und zu kühlenden Hauptseitenflächen 3 der beiden Leistungsmodule 2 angelegt oder angedrückt. Die Kühlleistung ist über die Größe des Andrucks und die daraus resultierende Größe der Fläche 19 der Kühlflüssigkeitshülle 15 einstellbar, mit der die Kühlflüssigkeitshülle 15 an der Hauptseitenfläche 3 des Leistungsmoduls 2 anliegt. Der Druck der Kühlflüssigkeit wird zweckmäßigerweise temperaturgesteuert geregelt. Zumindest ein Temperatursensor ist zweckmäßigerweise an dem Zulaufanschluss 23 oder an dem Ablaufanschluss 24 angeordnet. Die Regelung des Drucks der Kühlflüssigkeit erfolgt z. B. mittels eines Durchflussbegrenzers, der z. B. als piezomechanisches Ventil in einer zu dem ersten Kühlelement führenden Kühlflüssigkeitsleitung angeordnet ist und den Durchfluss der Kühlflüssigkeit durch die Kühlelemente regelbar begrenzt.

Bezugszeichenliste

1 Leistungselektronikemheit

2 Leistungsmodul

3 Hauptseitenfläche

4 Unterrand

5 Kontakteinheit

6 Halterung

7 Schaltungsträger

8 Steckverbinder

9 Zwischenraum

10 Kühleinrichtung

11 Kühlelement

12 Außenseite

13 Stützstruktur

14 Rahmen

15 Kühlflüssigkeitshülle

16 Kühlflüssigkeitsraum

17 Folie

18 Rand

19 Fläche

20 Rahmenhalteteil

21 unterer Rahmenteil

22 oberer Rahmenteil

23 Zulaufanschluss

24 Ablaufanschluss

25 Verbindungsleitung

26 Abschirmschicht

27 Kabel

Claims

Patentansprüche

1 . Leistungselektronikeinheit (1 )

- mit zumindest zwei elektronischen Leistungsmodulen (2),

- mit einer Halterung (6), die die Leistungsmodule (2) in einer Stellung hält, in der sie unter Bildung eines Zwischenraums (9) nebeneinander angeordnet sind und sich mit ihren zu kühlenden Hauptseitenflächen (3) gegenüberliegen, und

- mit einer Kühleinrichtung (10) zur Kühlung der Leistungsmodule (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

- dass die Kühleinrichtung (10) zumindest ein von einer Kühlflüssigkeit durchströmtes Kühlelement (11 ) aufweist, das in dem Zwischenraum (9) zwischen den Leistungsmodulen (2) angeordnet ist und derart gestaltet ist, die Leistungsmodule (2) über ihre Hauptseitenflächen (3) zu kühlen,

- wobei das Kühlelement (11 ) eine fluiddichte Kühlflüssigkeitshülle (15) aufweist, die einen von der Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlflüssigkeitsraum (16) umgibt und zwei sich gegenüberliegende flexible Flächen (19) enthält, die bei Druckbeaufschlagung durch die das Kühlelement (11 ) durchströmende Kühlflüssigkeit an den beiden zu kühlenden Hauptseitenflächen (3) der Leistungsmodule (2) in wärmeabführendem Kontakt flächig anliegen.

2. Leistungselektronikeinheit (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeitshülle (15) oder zumindest ihre flexiblen Flächen (19) von einer flexiblen Folie (17) gebildet sind.

3. Leistungselektronikeinheit (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (11 ) einen die Kühlflüssigkeitshülle (15) tragenden Rahmen (14) aufweist.

4. Leistungselektronikeinheit (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (6) einen Schaltungsträger (7) aufweist, an dem Steckverbinder (8) für die Leistungsmodule (2) und Rahmenhalterungen (20) für die Rahmen (14) in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind.

5. Leistungselektronikeinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeitshüllen (15) der Kühlelemente

(11 ) Zulauf- und Ablaufanschlüsse (23, 24) für die Kühlflüssigkeit aufweisen und die Kühlelemente (11 ) über die Zulauf- und Ablaufanschlüsse (23, 24) in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung miteinander verbunden sind.

6. Leistungselektronikeinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (17)

- elektrisch leitend ist und eine elektrisch isolierende Oberflächenschicht aufweist, oder

- elektrisch leitend ist oder eine elektrisch leitende Oberflächenschicht aufweist und die Leistungsmodule (2) an ihrer der Folie (17) zugewandten Hauptseitenfläche (3) elektrisch isoliert sind.

7. Leistungselektronikeinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Rahmen (14) zumindest eine elektrisch leitende Abschirmschicht (26) zur EMV-Abschirmung angeordnet ist.

8. Leistungselektronikeinheit (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Abschirmschicht (26) im Kühlflüssigkeitsraum des Kühlelements (11 ) bzw. in der Kühlflüssigkeitshülle (15) angeordnet ist und eine Ableitung des bei der EMV-Abschirmung erzeugten Stroms über die Kühlflüssigkeit oder über ein an der Abschirmschicht (26) angeschlossenes Kabel (27) erfolgt.

9. Leistungselektronikeinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest einen Temperatursensor aufweisende Steuer- oder Regeleinrichtung zum Einstellen des Flüssigkeitsdrucks der Kühlflüssigkeit in der Kühlflüssigkeitshülle (15) des Kühlelements (11 ) vorgesehen ist.

10. Leistungselektronikeinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (6) der Leistungsmodule (2) zum Übertragen von Strom und von Signalen eingerichtet ist.