DE102008044036A1

DE102008044036A1 - Power electronic circuit for hybrid drive train of hybrid vehicle, has insulation layer provided between rail elements and third rail element and representing dielectric of capacitor of circuit capacitor device

Info

Publication number: DE102008044036A1
Application number: DE102008044036A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang SCHÖN; Alexander Maier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2010-05-27

Abstract

The circuit (1) has power electronic modules (3) arranged at a carrier element (2) and electrically coupled with each other. A rail element arrangement (5) has electrically conductive flat band-like rail elements arranged in parallel in an axial direction. The rail elements are connected with a positive pole and a negative pole of a voltage source and the modules, respectively. An insulation layer is provided between the rail elements and a third electrically conductive flat band-like rail element (10) and represents dielectric of a capacitor of an intermediate circuit capacitor device. Contact elements made of copper wire are connected with the positive pole and the negative pole of the modules.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik für eine elektrische Maschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.The The invention relates to a power electronics for an electrical Machine according to the preamble of claim 1 closer defined type.

Aus der Praxis bekannte Hybridfahrzeuge weisen im Bereich des Antriebsstranges mindestens eine elektrische Drehfeldmaschine auf, die betriebszustandsabhängig über einen entsprechenden Wechselrichter bzw. eine Leistungselektronik betätigt wird.Out The practice known hybrid vehicles have in the field of drive train at least one rotary electric machine on the operating state depending on a corresponding inverter or power electronics is pressed.

Aus der DE 10 2006 005 095 A1 sind Hybridantriebskonzepte bekannt, bei welchen ein Verbrennungsmotor und ein oder mehrere Elektromotoren zu einem Antriebsverbund kombiniert werden. Für die Steuerung des Elektromotors bzw. der Elektromotoren ist eine elektrische Steuerung bzw. eine Leistungselektronik vorgesehen. Die bekannten Hybridantriebe werden hinsichtlich der Anordnung der elektrischen Steuerung in zwei Grundfigurationen unterschieden, wobei bei einer ersten Grundkonfiguration die Leistungselektronik für die elektrische Maschine als separates Aggregat ausgeführt und außerhalb des Bereichs, in dem das Getriebe angeordnet ist, im Fahrzeug verbaut ist. Bei einer zweiten Grundkonfiguration ist die Leistungselektronik der elektrischen Maschine in eine Getriebeglocke eines sogenannten Hybridgetriebes integriert und räumlich um die Elektromaschine herum oder im Zentrum der elektrischen Maschine angeordnet.From the DE 10 2006 005 095 A1 Hybrid drive concepts are known in which an internal combustion engine and one or more electric motors are combined to form a drive network. For the control of the electric motor or the electric motors, an electrical control or power electronics is provided. The known hybrid drives are distinguished in terms of the arrangement of the electrical control in two basic configurations, wherein in a first basic configuration, the power electronics for the electric machine designed as a separate unit and outside the area in which the transmission is arranged in the vehicle. In a second basic configuration, the power electronics of the electric machine is integrated into a transmission bell of a so-called hybrid transmission and spatially arranged around the electric machine or in the center of the electric machine.

Eine Elektromaschine mit integrierter Leistungselektronik und ein Verfahren zur Herstellung der Kontaktierung der DC-Schienen mit den DC-Kontaktflächen der Leitungshalbleiter der Leistungselektronik sind aus der DE 10 2005 032 191 A1 bekannt. Die Leistungselektronik ist modular aufgebaut, wobei die Bauteile Statorträger, Ansteuerung für den Leistungshalbleiter, DC⁺-Schiene, DC^–-Schiene, Leistungshalbleiter, Kühlkanal für die Leistungselektronik und Elektromaschine, Stator und Statorwicklung vorgefertigt und separat montierbar sind.An electric machine with integrated power electronics and a method for producing the contacting of the DC rails with the DC contact surfaces of the power semiconductor power semiconductors are known from DE 10 2005 032 191 A1 known. The power electronics are modular in structure, the components stator carrier, control for the power semiconductor, DC ⁺ rail, DC ^- rail, power semiconductors, cooling channel for the power electronics and electric machine, stator and stator winding prefabricated and can be mounted separately.

Bei einer ersten Ausführungsform der Leistungselektronik sind die DC-Schienen jeweils über Schrauben am Leistungshalbleiter befestigt, was während einer Serienanfertigung eine unerwünscht hohe Montagezeit verursacht sowie einen erhöhten zusätzlichen Bauraumbedarf der Leistungselektronik verursacht.at a first embodiment of the power electronics are the DC rails are each screwed to the power semiconductor fixed what an undesirable high during a serial production Assembly time caused as well as an increased additional Required space of the power electronics.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Leistungselektronik sind die DC-Schienen in radialer Richtung der elektrischen Maschine im Wesentlichen übereinander und in axialer Erstreckung der elektrischen Maschine im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wobei zwischen den beiden Schienen ein Dielektrikum vorgesehen ist, wodurch der systembedingt notwendige Zwischenkreiskondensator in die Leistungselektronik integriert ist. Die beiden DC-Schienen und das Dielektrikum sind über eine Schnappverbindung miteinander verbunden. Zur Kontaktierung der DC-Schienen mit den DC-Kontaktflächen der Leistungshalbleiter wird bei der Fertigung der Leistungshalbleiter auf die Kontaktflächen eine Lotschicht oder eine Schicht eines anderen geeigneten Verbindungsmediums aufgetragen. Nach der Montage werden die elektrische Maschine und die Leistungselektronik erstmalig bestromt. Durch die durch den anfangs hohen Ohm'schen Widerstand an den Kontaktflächen erzeugte Wärme wird die Verbindung bzw. die Kontaktierung erzeugt. Anschließend sinkt der Ohm'sche Widerstand im Bereich der Kontaktstellen ab, so dass das System für den regulären Betrieb vorbereitet ist.at a further embodiment of the power electronics are the DC rails in the radial direction of the electric machine essentially one above the other and in axial extent the electric machine arranged substantially parallel to each other, wherein a dielectric is provided between the two rails, whereby the system-dependent required DC link capacitor in the power electronics is integrated. The two DC rails and the dielectric are in a snap connection with each other connected. For contacting the DC busbars with the DC contact surfaces The power semiconductor is used in the manufacture of power semiconductors on the contact surfaces a solder layer or a layer another suitable compound medium applied. After assembly become the electrical machine and the power electronics for the first time energized. By the initially high ohmic resistance Heat generated at the contact surfaces becomes the Connection or the contact generated. Then it sinks the ohmic resistance in the region of the contact points, so that the system is prepared for regular operation is.

Alternativ hierzu ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Leistungselektronik vorgesehen, dass die Kontaktierung zwischen den DC-Schienen und den Leistungshalbleitern durch Verpressen hergestellt wird. Hierbei werden das Halbleitermodul und die DC-Schienen zueinander passend konusförmig gestaltet, so dass sich die Passung durch Aufschieben der Einzelteile ineinander verspannt und mit der beschriebenen Schnappverbindung fixiert wird. Die elektrische Verbindung wird im Bereich der Kontaktstellen durch den Flächendruck hergestellt.alternative This is in a further embodiment of the power electronics provided that the contacting between the DC rails and the power semiconductors is produced by compression. in this connection Both the semiconductor module and the DC rails are suitably conical to each other designed so that the fit by pushing the items clamped together and with the snap connection described is fixed. The electrical connection is in the area of the contact points produced by the surface pressure.

Die letztbeschriebene Lösung ist nachteilhafterweise durch hohe Herstellkosten gekennzeichnet, da die DC-Schienen auf Grund ihrer L-förmigen Ausgestaltung einen hohen Fertigungsaufwand verursachen.The The latter solution is disadvantageously by high production costs characterized as the DC rails due to their L-shaped configuration a high production cost cause.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Leistungselektronik für eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist.Of the The present invention is therefore based on the object, a power electronics available for an electric machine too provide that is easy and inexpensive to produce.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Leistungselektronik mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.According to the invention this task with a power electronics with the characteristics of Claim 1 solved.

Bei der erfindungsgemäßen Leistungselektronik für eine elektrische Maschine, vorzugsweise für eine elektrische Maschine eines Hybridantriebsstranges eines Fahrzeuges, mit mehreren an einem ringförmigen Trägerelement verteilt angeordneten Modulen der Leistungselektronik, die über eine Verbindungseinrichtung elektrisch miteinander gekoppelt sind, sind die einzelnen Module der Leistungselektronik über eine sich in Umfangsrichtung des Trägerelementes erstreckende Schienenelementanordnung der Verbindungseinrichtung miteinander und mit einer Spannungsquelle elektrisch verbunden.at the power electronics according to the invention for an electrical machine, preferably for an electrical Machine of a hybrid powertrain of a vehicle, with several arranged distributed on an annular support element Modules of power electronics, via a connecting device are electrically coupled to each other, are the individual modules the power electronics over a circumferentially the carrier element extending rail element arrangement of Connecting device with each other and with a voltage source electrically connected.

Erfindungsgemäß weist die Schienenelementanordnung zwei in axialer Richtung nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnete, sowie elektrisch leitende flachbandartige Schienenelemente auf, wobei das erste Schienenelement mit Pluspolen und das zweite Schienenelement mit Minuspolen einer Spannungsquelle und der Module verbunden sind, und wobei zwischen den beiden Schienenelementen und einem radial dazu beabstandet angeordneten sowie elektrisch leitenden dritten flachbandartig ausgeführten Schienenelement eine Isolationsschicht vorgesehen ist, welche ein Dielektrikum eines Kondensators einer Zwischenkreiskondensatoreinrichtung darstellt.According to the invention, the rail element arrangement has two adjacent to one another in the axial direction other and spaced apart, and electrically conductive flat-band-like rail elements, wherein the first rail element with positive poles and the second rail element with negative poles of a voltage source and the modules are connected, and wherein between the two rail elements and a radially spaced therefrom and electrically conductive third flat band-like running rail element is provided an insulating layer, which is a dielectric of a capacitor of a DC link capacitor device.

Die erfindungsgemäß ausgeführte Leistungselektronik ist im Vergleich zu der aus der DE 10 2005 032 191 A1 bekannten Leistungselektronik konstruktiv einfacher ausgeführt und somit kostengünstiger herstellbar, da die Schienenelementanordnung drei flachbandartige Schienenelemente aufweist, welche beispielsweise als mittels Walzen oder dergleichen hergestellte Kupferbänder ausgeführt sein können.The inventively designed power electronics is compared to that of the DE 10 2005 032 191 A1 known power electronics designed structurally simpler and thus cheaper to produce, since the rail element assembly has three flat-band-like rail elements, which may be performed, for example, as produced by means of rollers or the like copper bands.

Zusätzlich wird bei der erfindungsgemäßen Lösung im Bereich der Schienenelementanordnung zumindest ein Teil der für den Betrieb der Leistungselektronik erforderlichen Kapazität einer Zwischenkreiskondensatoreinrichtung auf konstruktiv einfachste Art und Weise bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf zur Verfügung gestellt.additionally is in the inventive solution in the region of the rail element arrangement at least a part of the the operation of the power electronics required capacity a DC link capacitor device to structurally simplest Way with low space requirement available posed.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Leistungselektronik nach der Erfindung sind im Bereich der Module weitere die Kapazität der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung erhöhende Kondensatoren bauraumgünstig vorgesehen.at an advantageous development of power electronics after the Invention are in the field of modules further the capacity the DC link capacitor device increasing capacitors provided space-saving.

Eine ebenfalls kostengünstig herstellbare Ausführungsform der Leistungselektronik nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenelementanordnung bei am äußeren Umfang des Trägerelementes verteilt angeordneten Modulen der Leistungselektronik die Module in radialer Richtung umgreift und die Module in montiertem Zustand radial von außen gegen das Trägerelement drückt.A also inexpensive to produce embodiment the power electronics according to the invention is characterized that the rail element arrangement at the outer Scope of the support element distributed modules arranged the power electronics surrounds the modules in the radial direction and the modules in the assembled state radially from the outside against pushes the carrier element.

Alternativ hierzu untergreift die Schienenelementanordnung bei am inneren Umfang des Trägerelementes verteilt angeordneten Modulen der Leis tungselektronik die Module in radialer Richtung und drückt die Module in montiertem Zustand radial von innen gegen das Trägerelement.alternative For this purpose, the rail element arrangement engages under at the inner circumference the support element distributed modules arranged the power electronics the modules in the radial direction and presses the modules in assembled state radially from the inside against the support element.

Die beiden letztgenannten alternativen Ausführungsformen der Leistungselektronik nach der Erfindung sind mit wenigen Arbeitsschritten montierbar, da die Module der Leistungselektronik während der Montage der Schienenelementanordnung mittels eines einzigen Arbeitsganges durch vorzugsweise Anschrauben der stromführenden Schienenelementanordnung am Trägerelement sowohl elektrisch miteinander und mechanisch mit dem Trägerelement verbunden werden. Darüber hinaus bieten die beiden alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leistungselektronik den Vorteil, dass ein Wartungsaufwand der Leistungselektronik im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen reduziert ist.The the latter two alternative embodiments of the Power electronics according to the invention are with a few steps mountable, since the modules of the power electronics during the assembly of the rail element arrangement by means of a single Operation by preferably screwing the current-carrying Rail element arrangement on the carrier element both electrically together and mechanically connected to the carrier element become. In addition, the two offer alternative embodiments the power electronics according to the invention the Advantage that a maintenance of power electronics compared to reduced known from the prior art solutions is.

Bei einer ebenfalls durch einen geringen Montageaufwand gekennzeichneten Ausführungsform der Leistungselektronik nach der Erfindung stehen die Module der Leistungselektronik jeweils über eine Druckkontaktierung mit der Schienenelementanordnung elektrisch in Wirkverbindung, wobei die Druckkontaktierungen der Module bei einer vorteilhaften Weiterbildung jeweils elektrisch leitende und flexibel ausgebildete Kontaktelemente, die jeweils mit dem Plus- oder dem Minuspol eines Moduls verbunden sind, sowie die Kontaktelemente mit dem ersten Schienenelement oder dem zweiten Schienenelement in Wirkverbindung haltende Federelemente aufweist.at one also characterized by a low assembly cost Embodiment of the power electronics according to the invention The modules of the power electronics each have one Pressure contact with the rail element arrangement electrically in Wirkverbindung, wherein the pressure contacts of the modules at a advantageous development in each case electrically conductive and flexible trained contact elements, each with the plus or Negative pole of a module are connected, as well as the contact elements with the first rail element or the second rail element having active compound holding spring elements.

Über die federnd ausgeführte Druckkontaktierung sind temperaturbedingte Schwankungen der Bauteilgeometrie der Schienenelementanordnung kompensierbar. Darüber hinaus sind die Druckkontaktierungen bzw. die darüber hergestellten elektrischen Verbindungen mit einer hohen Robustheit gegen Schwingungsbeanspruchungen gekennzeichnet, womit über den gesamten Betriebsbereich der Leistungselektronik ein konstantes und langzeitstabiles Kontaktverhalten zur Verfügung stellbar ist.about the resilient pressure contact are temperature-related Variations in the component geometry of the rail element arrangement can be compensated. In addition, the pressure contacts or the above manufactured electrical connections with a high robustness characterized against vibration stresses, which over the entire operating range of the power electronics a constant and long-term stable contact behavior available is.

Zusätzlich bieten die elektrisch leitenden und flexibel ausgebildeten Kontaktelemente den Vorteil, dass fertigungsbedingte Bauteiltoleranzen ohne zusätzliche Maßnahmen ausgleichbar sind.additionally offer the electrically conductive and flexible contact elements the advantage that production-related component tolerances without additional Measures are compensable.

Bei einer konstruktiv einfachen und kostengünstig herstellbaren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leistungselektronik bestehen die Kontaktelemente jeweils aus mehreren geflochtenen Litzen, die im Bereich ihrer Enden über eine vordefinierte Länge pressgeschweißt sind, um eine leichtere Handhabung sowohl beim Anlöten des Litzenbandes an eine Leiterplatte der Leistungselektronik als auch beim Zusammenbau der Module zur Verfügung stellen zu können.at a structurally simple and inexpensive to produce Further development of the power electronics according to the invention each of the contact elements consist of several braided strands, the in the area of their ends over a predefined length are press-welded to facilitate handling both when soldering the stranded tape to a circuit board of Power electronics as well as the assembly of the modules available to be able to make.

Eine durch eine hohe Leitfähigkeit sowie eine günstige Wärmeausdehnung gekennzeichnete Ausführungsform der Leistungselektronik ist mit aus Kupferlitzen hergestellten Kontaktelementen ausgeführt, welche zur Erhöhung einer Langzeitstabilität der Druckkontaktierung vorzugsweise verzinnt sind, da dann die Gefahr der Korrosion im Bereich der Kontaktelemente im Vergleich zu reinen Kupferlitzen reduziert ist.An embodiment of the power electronics characterized by a high conductivity and a favorable thermal expansion is designed with contact elements made of copper strands, which are preferably tinned to increase the long-term stability of the pressure contact, since then the risk of corrosion in the region of the contact elements in comparison to pure copper strands is reduced.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungselektronik sind die Kontaktelemente einenends jeweils mit einer Leiterplatte eines Moduls verbunden und anderenends an einem Gehäuse eines Moduls befestigt, wobei die Federelemente in montiertem Zustand der Schienenelementanordnung die Kontaktelemente vorgespannt gegen die Schienenelementanordnung drücken. Damit stellt jedes Modul eine vorfertigbare Einheit dar, die während der Montage der Leistungselektronik am äußeren Umfang oder am inneren Umfang des Trägerelementes anordenbar ist und anschließend während der Montage der Schienenelementanordnung während eines einzigen Montageschrittes sowohl mechanisch mit dem Trägerelement verbunden und elektrisch mit den weiteren Modulen und der Spannungsquelle verbindbar ist.at a further advantageous embodiment of the invention Power electronics are the contact elements one end each with a PCB connected to a module and the other end to a housing attached to a module, wherein the spring elements in the assembled state the rail element arrangement, the contact elements biased against Press the rail element assembly. That's what each one represents Module is a prefeasible unit during assembly the power electronics on the outer circumference or can be arranged on the inner circumference of the support element and subsequently during assembly of the rail element assembly both mechanically during a single assembly step connected to the carrier element and electrically connected to the other modules and the voltage source is connectable.

Die Module sind bei einer weiteren Ausführungsform der Leistungselektronik nach der Erfindung in axialer Richtung zwischen einem radialen Ringanschlagbereich des Trägerelementes und einem mit dem Trägerelement verbindbaren Federringelement fixiert, um die Module in der für die elektrische Verbindung erforderlichen axialen Position mit geringem konstruktiven Aufwand zu halten.The Modules are in a further embodiment of the power electronics according to the invention in the axial direction between a radial ring stop area the carrier element and one with the carrier element connectable spring ring element fixed to the modules in the for the electrical connection required axial position with low to keep constructive effort.

Eine durch einen geringen Montageaufwand gekennzeichnete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungselektronik ist im Bereich der Module über Steckkontakte mit der elektrischen Maschine verbindbar, womit die fertig vormontierte Leistungselektronik während eines einzigen Montageschrittes durch Aufstecken im gewünschten Umfang mit der elektrischen Maschine sowohl elektrisch als auch mechanisch verbindbar ist.A characterized by a low installation cost embodiment the power electronics according to the invention in the field of modules via plug contacts with the electrical Machine connectable, bringing the ready pre-assembled power electronics during a single assembly step by attaching to the extent desired with the electric machine both electrically and mechanically connectable.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.Further Advantages and advantageous developments of the invention result from the claims and the reference to the drawing principle described embodiment.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematisierte dreidimensionale Ansicht einer Leistungselektronik; 1 a schematic three-dimensional view of a power electronics;

2 eine dreidimensionale Einzelansicht einer Schienenelementanordnung der Leistungselektronik gemäß 1; 2 a three-dimensional single view of a rail element assembly of the power electronics according to 1 ;

3 eine Querschnittansicht der Schienenelementanordnung entlang einer in 2 dargestellten Schnittlinie III-III; 3 a cross-sectional view of the rail element assembly along a in 2 illustrated section line III-III;

4 eine Einzelansicht eines Moduls der Leistungselektronik gemäß 1; 4 a single view of a module of the power electronics according to 1 ;

5 eine 4 entsprechende Darstellung eines Moduls, wobei jeweils zwei Abschnitte von Schienenelementen der Schienenelementanordnung gezeigt sind; und 5 a 4 corresponding representation of a module, wherein in each case two sections of rail elements of the rail element arrangement are shown; and

6 eine Querschnittansicht des in 5 dargestellten Moduls entlang der Schnittlinie VI-VI. 6 a cross-sectional view of in 5 illustrated module along the section line VI-VI.

1 zeigt eine Leistungselektronik 1 für eine elektrische Maschine eines Hybridantriebsstranges eines nicht näher dargestellten Fahrzeuges mit mehreren an einem ringförmigen Trägerelement 2 verteilt angeordneten Modulen 3. Die Module 3 sind über eine Verbindungseinrichtung 4 elektrisch miteinander gekoppelt, wobei die einzelnen Module 3 der Leistungselektronik 1 über eine sich in Umfangsrichtung des Trägerelementes 2 erstreckende Schienenelementanordnung 5 der Verbindungseinrichtung 4 miteinander und mit einer ebenfalls nicht näher dargestellten Spannungsquelle zum Betreiben der elektrischen Maschine elektrisch verbunden sind. 1 shows a power electronics 1 for an electric machine of a hybrid drive train of a vehicle not shown in more detail with an annular carrier element 2 distributed modules arranged 3 , The modules 3 are via a connection device 4 electrically coupled together, with the individual modules 3 the power electronics 1 over a circumferentially of the support element 2 extending rail element arrangement 5 the connection device 4 with each other and with a voltage source also not shown for operating the electric machine are electrically connected.

Die Schienenelementanordnung 5 umgreift die am äußeren Umfang des Trägerelementes 2 verteilt angeordneten Module 3 der Leistungselektronik 1 in radialer Richtung und drückt die Module 3 in montiertem Zustand radial von außen gegen das Trägerelement 2. In axialer Richtung sind die Module 3 zwischen einem Ringanschlagbereich 6 des Trägerelementes 2 und einem mit dem Trägerelement 2 verbundenem Federringelement 7 am Trägerelement 2 fixiert bzw. in axialer Richtung nicht verschieblich am Trägerelement 2 gehalten.The rail element arrangement 5 surrounds the outer circumference of the support element 2 distributed modules arranged 3 the power electronics 1 in the radial direction and pushes the modules 3 in the assembled state radially from the outside against the carrier element 2 , In the axial direction are the modules 3 between a ring stop area 6 of the carrier element 2 and one with the carrier element 2 connected spring ring element 7 on the carrier element 2 fixed or not displaceable in the axial direction on the support element 2 held.

Die in 1 dargestellte Leistungselektronik 1 ist somit modular beispielsweise am Umfang der elektrischen Maschine aufgebaut, wobei für die elektrische Versorgung der in den Modulen 3 angeordneten Leistungshalbleiter die Schienenelementanordnung 5 vorgesehen ist. Über die Schienenelementanordnung 5 werden die Module 3 im Vergleich zu an sich bekannten Lösungen mit minimierten Verdrahtungsaufwand elektrisch miteinander verbunden und zusätzlich mechanisch am Trägerelement 2 befestigt.In the 1 illustrated power electronics 1 is thus modular, for example, built on the circumference of the electric machine, wherein for the electrical supply in the modules 3 arranged power semiconductors, the rail element assembly 5 is provided. About the rail element arrangement 5 become the modules 3 Compared to known solutions with minimal wiring effort electrically connected together and additionally mechanically on the support element 2 attached.

Die Schienenelementanordnung 5 ist in 2 in einer dreidimensionalen Alleinstellung gezeigt, während 3 eine Querschnittansicht der Schienenelementanordnung 5 entlang der in 2 näher dargestellten Schnittlinie III-III grafisch wiedergibt. Gemäß der in 3 gezeigten Darstellung umfasst die Schienenelementanordnung 5 zwei in axialer Richtung nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnete sowie elektrisch leitende flachbandartige Schienenelemente 8, 9, wobei das erste Schienenelement 8 mit Pluspolen und das zweite Schienenelement 9 mit Minuspolen der Gleichspannungsquelle der elektrischen Maschine und der Module 3 verbunden ist.The rail element arrangement 5 is in 2 shown in a three-dimensional unique position while 3 a cross-sectional view of the rail element assembly 5 along the in 2 Plotted line III-III graphically reproduced. According to the in 3 The illustration shown comprises the rail element arrangement 5 two juxtaposed and spaced apart in the axial direction and electrically conductive ribbon-like rail elements 8th . 9 , wherein the first rail element 8th with positive poles and the second rail element 9 with negative poles of the DC voltage source of the electric machine and the modules 3 connected is.

Zwischen den beiden Schienenelementen 8, 9 und einem radial dazu beabstandet angeordneten sowie elektrisch leitenden dritten flachbandartig ausgeführten Schienenelement 10 ist eine vorliegend als Folie ausgeführte Isolationsschicht 11 vorgesehen, welche ein Dielektrikum eines Folienkondensators bzw. eines Kondensators 12, der von den drei Schienenelementen 8 bis 10 und dem Dielektrikum 11 gebildet ist, einer Zwischenkreiskondensatoreinrichtung der Leistungselektronik 1 darstellt. Im Bereich der Module 3 sind weitere die Kapazität der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung erhöhende Kondensatoren vorgesehen, welche in der Zeichnung nicht näher dargestellt sind.Between the two rail elements 8th . 9 and a radially spaced therefrom and electrically conductive third flat band-like running rail element 10 is an insulating layer designed here as a foil 11 provided, which is a dielectric of a film capacitor or a capacitor 12 that of the three rail elements 8th to 10 and the dielectric 11 is formed, an intermediate circuit capacitor device of the power electronics 1 represents. In the field of modules 3 Further capacitors are provided which increase the capacitance of the intermediate circuit capacitor device and which are not shown in greater detail in the drawing.

In 4 ist eine Draufsicht auf eines der Module 3 der Leistungselektronik 1 gemäß 1 dargestellt. Das Modul 3 weist eine mit Halbleitern 13 fertig bestückte Leiterplatte 14 auf, wobei elektrisch leitende und flexibel ausgebilde te Kontaktelemente 15, 16 einer Druckkontaktierung 17 des Moduls 3 an entsprechenden Stellen der Leiterplatte 14 angelötet sind. In einem zu der Druckkontaktierung 17 abgewandten Bereich der Leiterplatte 14 ist ein Steckkontakt 18 vorgesehen, über welches das Modul 3 mit der elektrischen Maschine verbindbar ist. Im Bereich des Steckkontaktes 18 ist das Modul 3 in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles entweder direkt mit einer Spule oder mit einer Phase der elektrischen Maschine verbindbar, wobei das Modul 3 bei einer Verbindung des Moduls 3 mit einer Spule der elektrischen Maschine zur Darstellung eines Dreiphasenbetriebes der als elektrische Drehfeldmaschine ausgeführten elektrischen Maschine über eine softwareseitige Ansteuerung zu betreiben ist. Der Steuerungseingang des Moduls 3, der als separater Stromkreis ausgeführt ist, ist in der Zeichnung nicht näher dargestellt.In 4 is a plan view of one of the modules 3 the power electronics 1 according to 1 shown. The module 3 has one with semiconductors 13 ready assembled printed circuit board 14 on, with electrically conductive and flexible fancy te contact elements 15 . 16 a pressure contact 17 of the module 3 in appropriate places of the circuit board 14 are soldered. In a to the pressure contact 17 remote area of the circuit board 14 is a plug contact 18 provided over which the module 3 can be connected to the electric machine. In the area of the plug contact 18 is the module 3 depending on the particular application, either directly connected to a coil or with a phase of the electric machine, wherein the module 3 at a connection of the module 3 with a coil of the electric machine for the representation of a three-phase operation of the electric machine designed as a rotary electric machine can be operated by a software-based control. The control input of the module 3 , which is designed as a separate circuit, is not shown in detail in the drawing.

5 zeigt eine 4 entsprechende Darstellung des Moduls 3, wobei im Bereich der Druckkontaktierung 17 bzw. der beiden Kontaktelemente 15 und 16 jeweils darüber angeordnete Abschnitte der Schienenelemente 8 und 9 der Schienenelementanordnung 5 angeordnet sind. Zusätzlich zeigt 6 eine Querschnittansicht des in 4 und 5 dargestellten Moduls 3 entlang einer in 5 näher dargestellten Schnittlinie VI-VI. 5 shows one 4 corresponding representation of the module 3 , wherein in the area of pressure contact 17 or the two contact elements 15 and 16 in each case arranged above sections of the rail elements 8th and 9 the rail element arrangement 5 are arranged. Additionally shows 6 a cross-sectional view of in 4 and 5 illustrated module 3 along an in 5 shown in detail section line VI-VI.

Aus der Darstellung gemäß 6 geht hervor, dass die Druckkontaktierung 17 des Moduls 3 elektrisch mit der Schienenelementanordnung 5 bzw. mit den Schienenelementen 8 und 9 verbunden ist. Dabei weist die Druckkontaktierung des Moduls 3 neben den elektrisch leitenden und flexibel ausgebildeten Kontaktelementen 15 und 16 die Kontaktelemente 15 und 16 jeweils mit dem ersten Schienenelement 8 bzw. dem zweiten Schienenelement 9 Wirkverbindung haltende Federelemente 19 auf.From the illustration according to 6 shows that the pressure contact 17 of the module 3 electrically with the rail element arrangement 5 or with the rail elements 8th and 9 connected is. This shows the pressure contact of the module 3 in addition to the electrically conductive and flexible contact elements 15 and 16 the contact elements 15 and 16 each with the first rail element 8th or the second rail element 9 Active connection holding spring elements 19 on.

Die Kontaktelemente 15 und 16 sind vorliegend aus mehreren miteinander verflochtenen Kupferlitzen hergestellt, die zur Verbesserung einer Korrosionsbeständigkeit verzinnt sind. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, die Kontaktelemente als flexible Aluminiumbänder oder dergleichen auszuführen. Im Bereich ihrer Enden sind die Kontaktelemente 15 und 16 zur Verbesserung einer Handhabung auf einer definierten Länge pressgeschweißt. Diese Ausführung vereinfacht eine Handhabung der Kontaktelemente 15 und 16 während eines Anlötprozesses an der Leiterplatte 14.The contact elements 15 and 16 In the present case, they are made of a plurality of intertwined copper strands, which are tinned to improve corrosion resistance. Alternatively, it is also possible to design the contact elements as flexible aluminum bands or the like. In the area of their ends are the contact elements 15 and 16 Press-welded to improve handling over a defined length. This design simplifies handling of the contact elements 15 and 16 during a soldering process on the circuit board 14 ,

Während der Montage des Moduls 3 werden die Kontaktelemente 15 und 16 in der in 6 näher dargestellten Art und Weise im Bereich eines Endes 15A an der Leiterplatte 14 angelötet und somit elektrisch leitend verbunden. Während eines nächsten Fertigungsschrittes werden die Kontaktelemente 15 und 16 durch passende Öffnung 20, 21 in einem Gehäuse 22 des Moduls 3 in Bezug auf einen Innenraum 23 des Moduls 3 nach außen geführt und anschließend die Leiterplatte 14 mit dem Gehäuse 22 verklebt. Daran anschließend werden die Federelemente 19 in damit korrespondierende Aussparungen 24, 25 des Gehäuses 22 eingelegt und fixiert. Wiederum anschließend werden die Kontaktelemente 15 und 16 in der in 6 dargestellten Art und Weise über die Federelemente 19 gespannt und in die jeweils zu den Öffnungen 21 und 22 gegenüber liegenden Öffnungen 26, 27 zur Fixierung mit Enden 15B gesteckt, womit das Modul 3 fertig montiert ist. Die Befestigung der Module 3 am Trägerelement 2 erfolgt dann durch das Verschrauben der Schienenelementanordnung 5 im Bereich der freien Enden 5A und 5B, wobei die elektrische Verbindung der Spannungsquelle und der Module 3 im Bereich des freien Endes 5B erfolgt.During assembly of the module 3 become the contact elements 15 and 16 in the in 6 more detailed manner in the region of one end 15A on the circuit board 14 soldered and thus electrically connected. During a next manufacturing step, the contact elements 15 and 16 through suitable opening 20 . 21 in a housing 22 of the module 3 in terms of an interior 23 of the module 3 led to the outside and then the circuit board 14 with the housing 22 bonded. Subsequently, the spring elements 19 in corresponding recesses 24 . 25 of the housing 22 inserted and fixed. Then again, the contact elements 15 and 16 in the in 6 illustrated manner on the spring elements 19 strained and in each case to the openings 21 and 22 opposite openings 26 . 27 for fixation with ends 15B plugged, bringing the module 3 is fully assembled. The fastening of the modules 3 on the carrier element 2 then done by screwing the rail element assembly 5 in the area of the free ends 5A and 5B , wherein the electrical connection of the voltage source and the modules 3 in the area of the free end 5B he follows.

Grundsätzlich gewährleistet die Flexibilität der Kupferbänder bzw. der Kontaktelemente 15 und 16 eine sehr gute Qualität der elektrischen Druckkontaktierung, da sich die Kontaktelemente 15 und 16 auf Grund ihrer Flexibilität im gewünschten Umfang an die gerundete Schienenelementanordnung bzw. an die beiden kreisförmig ausgeführten Schienenelemente 8 und 9 in montiertem Zustand anpassen und somit einen großflächigen elektrischen Kontakt ermöglichen. Die große Kontaktfläche verursacht nur einen geringen Übergangswider stand, woraus im Betrieb der elektrischen Maschine nur eine niedrige Erwärmung im Bereich der Leistungselektronik 1 resultiert. Letztgenannte Vorteile führen in Verbindung mit dem großen Leitungsquerschnitt der Kontaktelemente 15 und 16 zu einer hohen Stromtragfähigkeit im Bereich der Druckkontaktierung 17, so dass über die Druckkontaktierung problemlos Stromstärken von mehreren Hundert Ampere führbar sind.In principle, the flexibility of the copper strips or the contact elements ensures 15 and 16 a very good quality of the electrical pressure contact, as the contact elements 15 and 16 due to its flexibility in the desired extent to the rounded rail element arrangement or to the two circular running rail elements 8th and 9 adapt in the assembled state and thus enable a large-area electrical contact. The large contact surface causes only a low transition resistance, resulting in the operation of the electric machine only a low heating in the field of power electronics 1 results. The latter advantages lead in connection with the large cross section of the contact elements 15 and 16 to a high current carrying capacity in the area of pressure contact 17 , so that over the pressure contact easily currents of several hundred amps are feasible.

Des Weiteren sind durch die flexible Ausführung der Kontaktelemente 15 und 16 im Bereich der Druckkontaktierungen 17 der Module 3 derart gute Federeigenschaften gegeben, dass die Kontaktierung aller am Umfang des Trägerelementes 2 und auch am Umfang eines mit der Leistungselektronik 1 verbundenen elektrischen Motors angeordneten Module 3 über die durchgehend ausgebildete Schienenelementanordnung 5, ohne separate Befestigungen im Bereich der einzelnen Module 3 vorsehen zu müssen, möglich ist. Zusätzlich kompensiert die federelastische Auslastung der Druckkontaktierung 17 auch temperaturbedingte Ausdehnungen der im Bereich der Schienenelementanordnung 5, womit die elektrische Verbindung zwischen den Modulen 3 und auch der Module 3 mit der Spannungsquelle über den gesamten Betriebsbereich der Leistungselektronik 1 sicher gewährleistet ist. Bei der vorbeschriebenen Kontaktierung der Module 3 untereinander und auch mit der Spannungsquelle ist durch die federnd ausgeführten Druckkontaktierungen 17 auch eine hohe Robustheit gegen Schwingungsbeanspruchungen gegeben, womit ein konstantes und langzeitstabiles Kontaktverhalten erzielt wird.Furthermore, by the flexible Ausfüh tion of the contact elements 15 and 16 in the area of pressure contacts 17 the modules 3 given such good spring properties that the contact all at the periphery of the support element 2 and also on the periphery of one with the power electronics 1 connected electric motor arranged modules 3 over the continuously formed rail element arrangement 5 , without separate fixings in the area of the individual modules 3 to be able to provide is possible. In addition, the spring-loaded capacity compensates for the pressure contact 17 also temperature-induced expansions in the rail element arrangement 5 with which the electrical connection between the modules 3 and also the modules 3 with the voltage source over the entire operating range of the power electronics 1 sure is guaranteed. In the above-described contacting the modules 3 with each other and with the voltage source is by the resiliently executed pressure contacts 17 also given a high robustness against vibration stresses, whereby a constant and long-term stable contact behavior is achieved.

Zusätzlich sind auch Fertigungstoleranzen durch die Flexibilität der als Litzenbänder ausgeführten Kontaktelemente 15 und 16 auf einfache Art und Weise ausgleichbar. Darüber hinaus sind die Kontaktelemente 15 und 16 trotz des hohen Leitungsquerschnitts mit geringem Aufwand mit der Leiterplatte bzw. den darauf angeordneten Leiterbahnen in gewünschtem Umfang mittels Löten verbindbar.In addition, manufacturing tolerances are also due to the flexibility of the contact elements designed as stranded strips 15 and 16 easily compensated. In addition, the contact elements 15 and 16 despite the high cable cross-section with little effort with the circuit board or arranged thereon traces in the desired extent connectable by soldering.

Die modular aufgebaute Leistungselektronik ist bauraumgünstig in der vorbeschriebenen Art und Weise am äußeren Umfang einer elektrischen Maschine oder innerhalb einer elektrischen Maschine anordenbar und mit geringem Aufwand montierbar. Auf Grund des modularen Aufbaus und der vorbeschriebenen elektrischen Druckkontaktierung jedes einzelnen Moduls miteinander und auch mit der der elektrischen Maschine zugeordneten Spannungsquelle besteht auch auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, die Leistungselektronik mit unterschiedlichen Leistungsstufen durch Einsetzen verschiedener Module bzw. durch Verbinden mit verschiedenen elektrischen Maschinen auszuführen.The modular power electronics are space-saving in the manner described above on the outside Scope of an electrical machine or within an electrical Machine can be arranged and mounted with little effort. On reason the modular structure and the above-described electrical pressure contact each individual module with each other and also with that of the electrical Machine associated power source also insists on simple Way the possibility of the power electronics with different performance levels by inserting different Modules or by connecting to various electrical machines perform.

11: Leistungselektronikpower electronics
22: Trägerelementsupport element
33: Modulmodule
44: Verbindungseinrichtungconnecting device
55: SchienenelementanordnungRail assembly
5A, 5B5A, 5B: freies Endefree The End
66: RinganschlagbereichRing stop area
77: FederringelementSpring ring element
8, 98th, 9: Schienenelementrail element
1010: drittes Schienenelementthird rail element
1111: Isolationsschichtinsulation layer
1212: Kondensatorcapacitor
1313: Halbleitersemiconductor
1414: Leiterplattecircuit board
1515: Kontaktelementcontact element
15A, 15B15A, 15B: Ende des KontaktelementesThe End of the contact element
1616: Kontaktelementcontact element
1717: DruckkontaktierungPressure contact
1818: Steckkontaktplug contact
1919: Federelementspring element
20, 2120 21: Öffnungopening
2222: Gehäuse des Modulscasing of the module
2323: Innenrauminner space
24, 2524 25: Aussparungrecess
26, 2726 27: Öffnungopening

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102006005095 A1 [0003]
- DE 102005032191 A1 [0004, 0013]

Claims

Power electronics ( 1 ) for an electric machine, preferably for an electric machine of a hybrid drive train of a vehicle, with a plurality of on an annular support element ( 2 ) distributed modules ( 3 ) of the power electronics ( 1 ) connected via a connection device ( 4 ) are electrically coupled to each other, wherein the individual modules ( 3 ) of the power electronics ( 1 ) over a circumferentially of the support element ( 2 ) extending rail element arrangement ( 5 ) of the connection device ( 4 ) are electrically connected to each other and to a voltage source, characterized in that the rail element arrangement ( 5 ) two in the axial direction next to each other and spaced from each other and electrically conductive flat band-like rail elements ( 8th . 9 ), wherein the first rail element ( 8th ) with positive poles and the second rail element ( 9 ) with negative poles of the voltage source and the modules ( 3 ) and between the two rail elements ( 8th . 9 ) and a radially spaced therefrom and electrically conductive third flat-band-like running rail element ( 10 ) an insulation layer ( 11 ), which is a dielectric of a capacitor ( 12 ) represents a DC link capacitor device.

Power electronics according to claim 1, characterized in that in the region of the modules ( 3 ) further capacitors are provided which increase the capacitance of the intermediate circuit capacitor device.

Power electronics according to claim 1 or 2, characterized in that the rail element arrangement ( 5 ) at the outer periphery of the support element ( 2 ) distributed modules ( 3 ) of the power electronics ( 1 ) the modules ( 3 ) in the radial direction and the modules ( 3 ) in the assembled state radially from the outside against the carrier element ( 2 ) presses.

Power electronics according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the rail element arrangement at the inner Scope of the support element distributed modules arranged the power electronics engages under the modules in the radial direction and the modules in the assembled state radially from the inside against the Carrier element presses.

Power electronics according to one of claims 1 to 4, characterized in that the modules ( 3 ) of the power electronics ( 1 ) each via a pressure contact ( 17 ) with the rail element arrangement ( 15 ) are electrically connected.

Power electronics according to claim 5, characterized in that the pressure contacts ( 17 ) of the modules ( 3 ) each electrically conductive and flexible contact elements ( 15 . 16 ) connected to the positive or negative pole of a module ( 3 ), as well as the contact elements ( 15 . 16 ) with the first rail element ( 8th ) or the second rail element ( 9 ) in operative connection holding spring elements ( 19 ) having.

Power electronics according to claim 6, characterized in that the contact elements ( 15 . 16 ) each consist of several braided strands, which in the region of their ends ( 15A . 15B ) are press-welded over a predefined length.

Power electronics according to claim 7, characterized in that the contact elements ( 15 . 16 ) are made of copper strands, which are preferably tin-plated.

Power electronics according to one of claims 6 to 8, characterized in that the contact elements ( 15 . 16 ) one end each with a printed circuit board ( 14 ) of a module ( 3 ) and at the other end to a housing ( 22 ) of a module ( 3 ) are fastened, wherein the spring elements ( 19 ) in the assembled state of the rail element arrangement ( 5 ) the contact elements ( 15 . 16 ) biased against the rail element assembly ( 5 ) to press.

Power electronics according to one of claims 1 to 9, characterized in that the modules ( 3 ) in the axial direction between a radial annular stop region ( 6 ) of the carrier element ( 2 ) and one with the carrier element ( 2 ) connectable spring ring element ( 7 ) are fixed.

Power electronics according to one of claims 1 to 10, characterized in that the modules ( 3 ) via plug contacts ( 18 ) are connectable to the electrical machine.