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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Leistungsinvertersysteme für Automobile
im Allgemeinen und betrifft eine Sammelschiene niedriger Induktivität für ein Leistungsinvertersystem
für Automobile
im Besonderen.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische
und hybride elektrische Fahrzeuge nutzen oft Hochspannungsquellen
wie Batteriepacks oder Brennstoffzellen, welche Gleichstrom (DC)
an Fahrzeugantriebsmotoren, elektrische Antriebssysteme und an andere
Fahrzeugsysteme liefern. Diese Systeme beinhalten typischerweise
Leistungsinverter, um den Eingangsgleichstrom von der Stromquelle
in einen für
elektrische Motoren und andere elektrischen Bauelemente kompatiblen
dreiphasigen Ausgangswechselstrom (AC) zu wandeln. Derartige Inverter
beinhalten im Allgemeinen sowohl Leistungs- als auch Kondensatormodule, welche durch
ein Sammelschienensystem, das den Strom innerhalb des Inverters
verteilt, miteinander verbunden sind. Derartige Sammelschienensysteme
umfassen oft eine oder mehrere kompliziert gestaltete Elektroden,
welche im Allgemeinen mittels einer Vielzahl von Befestigungselementen
miteinander verbunden sind. Diese vergleichsweise komplexe Sammelschiene
kann einen signifikanten Beitrag zur Gesamtzahl an Bauelementen
und zu den Kosten für
Material und Montage leisten.
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Darüber hinaus
wurde beobachtet, dass einige herkömmliche Inverter Spannungsspitzen
verursachen, wenn durch das Leistungsmodul fließende Ströme sich plötzlich ändern, wie et wa wenn der Inverter
abgeschaltet wird. Die Höhen
dieser Spannungsspitzen stehen mit der Induktivität der Sammelschiene
in Beziehung. Insbesondere wird die Beziehung zwischen der Induktivität (L), dem
Strom (i), der Spannung (V) und der Zeit (t) durch Gleichung (1)
beschrieben: V = L·(di/dt) (1)
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Diese
Gleichung verdeutlicht, dass die Spannungsspitzen bei Systemen,
welche eine hohe ihnen inhärente
Induktivität
aufweisen, verstärkt
werden. Dies bedeutet, dass sogar vergleichsweise kleine Änderungen
des Stroms relativ große
Spannungsspitzen erzeugen können,
wenn die Induktivität
hoch ist. Eine Sammelschiene kann wegen des relativ langen Weges
des Stroms zwischen ihren verschiedenen Eingangs- und Ausgangsknoten
wesentlich zu der Gesamtinduktivität eines Invertersystems beitragen.
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Demgemäß ist es
wünschenswert,
ein Sammelschienensystem niedriger Induktivität bereit zu stellen, um die
Spannungsspitzen beim Abschalten von Leistungsmodulen zu verringern.
Darüber
hinaus ist es weiterhin wünschenswert,
ein Sammelschienensystem zur Verteilung eines Stroms innerhalb eines
Leistungsinverters bereit zu stellen, welches weniger Bauelemente
aufweist und die Materialkosten minimiert. Ferner werden andere
wünschenswerte Merkmale
und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung und den sich anschließenden Ansprüchen in Zusammenschau
mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorstehenden technischen
Gebiet und Hintergrund klar werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß verschiedensten
Ausführungsformen
wird eine Sammelschienenanordnung für ein Invertermodul bereitgestellt.
Das Invertermodul weist ein Leistungsmodul mit einem ersten Leistungsmodulknoten
und einem zweiten Leistungsmodulknoten, ein Kondensatormodul mit
einer Anordnung zumindest eines Kondensa tors, wobei jeder Kondensator des
Kondensatormoduls einen ersten Kondensatorknoten und einen zweiten
Kondensatorknoten aufweist, und eine Batterie mit einem ersten Batterieknoten
und einem zweiten Batterieknoten auf. Die Sammelschienenanordnung
weist eine Basissammelschiene und eine Zweigsammelschiene auf. Die
Basissammelschiene weist einen ersten Basisknoten auf, welcher mit
dem ersten Batterieknoten elektrisch gekoppelt ist, und weist einen
zweiten Basisknoten auf, welcher mit dem zweiten Batterieknoten
elektrisch gekoppelt ist. Die Zweigsammelschiene weist einen ersten
Zweigknoten und einen zweiten Zweigknoten auf, wobei der erste Zweigknoten
sich von dem ersten Basisknoten zu dem ersten Leistungsmodulknoten
erstreckt und an einem ersten Punkt zwischen dem ersten Basisknoten
und dem ersten Leistungsmodulknoten eine elektrische Verbindung
mit dem ersten Kondensatormodulknoten herstellt, und wobei der zweite
Zweigknoten sich von dem zweiten Basisknoten zu dem zweiten Leistungsmodulknoten erstreckt
und an einem zweiten Punkt zwischen dem zweiten Basisknoten und
dem zweiten Leistungsmodulknoten eine elektrische Verbindung mit
dem zweiten Kondensatormodulknoten herstellt.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend zusammen mit den folgenden
Figuren der Zeichnung beschrieben werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche
Elemente bezeichnen, und
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1 eine
schematische Ansicht eines beispielhaften Automobils zeigt, welche
die Weise verdeutlicht, in der ein Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen
Teilkomponenten eines Automobils zusammengefügt wird;
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2 eine
schematische Zeichnung zeigt, welche einen beispielhaften Leistungsinverter
mit einer Sammelschienenanordnung verdeutlicht;
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3 eine
beispielhafte Sammelschienenanordnung schematisch illustriert;
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4 eine
andere beispielhafte Sammelschienenanordnung schematisch illustriert;
und
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5 eine
weitere beispielhafte Sammelschienenanordnung im Querschnitt schematisch
illustriert.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Die
nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten
oder Merkmale, welche miteinander ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind. Wenn nicht ausdrücklich anders
angegeben, so bedeutet ”verbunden”, wie hier
benutzt, dass ein Element/ein Knoten/ein Merkmal direkt mit einem
anderen Element, Knoten oder anderen Merkmal in einem mechanischen,
logischen, elektrischen oder einem anderen angemessenen Sinn verbunden
ist (oder direkt damit in Verbindung steht). Desgleichen bedeutet ”gekoppelt”, wenn
nicht ausdrücklich
anders angegeben, dass ein Element/ein Knoten/ein Merkmal direkt
oder indirekt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal in einem
mechanischen, logischen, elektrischen oder einem anderen angemessenen Sinn
verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit in Verbindung steht).
Der Ausdruck ”beispielhaft” wird eher
im Sinne von ”Beispiel” anstatt
von ”Modell” verwendet.
Obwohl die Figuren beispielhafte Anordnungen von Elementen abbilden
können,
können
weiterhin zusätzliche
hinzutretende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten
in einer praktischen Ausführungsform
der Erfindung vorhanden sein. Darüber hinaus bedeutet der Ausdruck ”integral ausgebildet” oder ”integral
verbunden”,
dass ein erstes Element/Knoten/Merkmal in einer kontinuierlichen
Weise aus einem zweiten Element/Knoten/Merkmal hervorgeht oder sich
von diesem erstreckt, und nicht als zwei getrennte und unterscheidbare
Elemente.
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1 illustriert
ein Fahrzeug 10, wie etwa ein Automobil gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug 10 beinhaltet ein
Fahrgestell 12, einen Rumpf 14, vier Räder 16, und
ein elektronisches Steuersystem (oder eine elektronische Steuereinheit
(electronic control unit (ECU)) 18. Der Rumpf 14 ist
auf dem Fahrgestell 12 angeordnet und umschließt im Wesentlichen
die anderen Bauteile des Automobils 10. Der Rumpf 14 und das
Fahrgestell 12 können
zusammen einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils
nahe einer jeweiligen Ecke des Rumpfes 14 drehbar mit dem Fahrgestell 12 gekoppelt.
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Das
Fahrzeug 10 kann irgendeines von einer Anzahl verschiedener
Arten von Automobilen sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein
Kombi, ein Lastkraftwagen, oder ein sport utility vehicle (SUV), und
kann mit einem Zweiradantrieb (2WD) (dies bedeutet, mit einem Hinterradantrieb
oder einem Vorderradantrieb), mit einem Vierradantrieb (4WD), oder mit
einem Allradantrieb (AWD) ausgestattet sein. Das Fahrzeug 10 kann
auch irgendeinen von einer Anzahl verschiedener Arten von Motoren
(oder Antrieben) oder eine Kombination von diesen beinhalten, wie zum
Beispiel einen mit Benzin oder Diesel betriebenen Verbrennungsmotor,
einen ”flex
fuel vehicle” (FFV) – Motor
(dies bedeutet, dass dieser ein Gemisch von Benzin und Alkohol nutzt),
einen mit einer gasförmigen
Verbindung (beispielsweise mit Wasserstoff und/oder mit Erdgas)
betriebenen Motor, oder eine Brennstoffzelle, einen Hybridantrieb
mit einem Verbrennungs- und einem elektrischen Motor, und einen
Elektromotor.
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In
der in 1 dargestellten beispielhaften Ausführungsform
ist das Fahrzeug 10 ein Hybridfahrzeug, welches weiterhin
eine Antriebsbaugruppe (oder Antriebsstrang) 20, eine Batterie 22,
ein Ladezustandssystem für
die Batterie (battery state of charge (SOC) system) 24,
einen Leistungsinverter 26, und einen Radiator 28 beinhaltet.
Die Antriebsbaugruppe 20 umfasst in geeigneter Weise einen
Verbrennungsmotor 30 und ein elektrisches Motor/Generator-(oder
Motor-)System (oder Baugruppe) 32. Die Batterie 22 ist
elektrisch mit dem Leistungsinverter 26 verbunden und ist
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
eine Lithium-Ionen (Li-Ionen) Batterie mit irgendeiner Anzahl von
Zellen, in allgemein bekannter Weise.
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Im
Allgemeinen beinhaltet ein Leistungsinverter eine Sammelschienenanordnung,
welche zumindest eine Sammelschiene beinhaltet, um einen leitenden
Pfad für
das Fließen
eines Stroms zwischen elektronischen Bauteilen wie einer Gleichstromquelle,
einem Kondensatormodul, und/oder einer Leistungsmodulanordnung bereitzustellen.
Eine derartige Sammelschiene besitzt typischerweise eine laminare
Struktur oder etwas Ähnliches,
welche positive und negative, elektrisch leitende äußere Schichten
oder ”Knoten” umfasst,
die voneinander durch eine nichtleitende mittlere Schicht elektrisch
isoliert sind. Die Sammelschienenanordnung kann in gewünschter
Weise derart ausgebildet werden, dass sie kompakt zwischen Kondensator-
und Leistungsmodule passt und dass der Pfad des Stroms zwischen diesen
Bauteilen verkürzt
wird, um die gesamte Induktivität
des Systems zu minimieren.
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2 stellt
eine schematische Zeichnung einer beispielhaften Leistungsinverteranordnung 26 dar.
Die Leistungsinverteranordnung 26 beinhaltet in geeigneter
Weise ein Kondensatormodul 40, eine Sammelschienenanordnung 27,
und eine Leistungsmodulanordnung 38, die irgendeine Anzahl
einzelner Leistungsmodule umfasst. Wie in 2 gezeigt
ist, ist die Leistungsmodulanordnung 38 mit sechs Leistungsmodulen 101–106 gebildet,
wobei das Leistungsmodul 101 als Umriss abgebildet ist,
um andere Bauteile der Inverteranordnung 26 deutlicher
darzustellen. Das Kondensatormodul 40 beinhaltet in geeigneter
Weise irgendeine Anzahl einzelner Kondensatoren, und kann in irgendeiner
Art angeordnet sein. Wie beispielsweise in 2 gezeigt,
beinhaltet das Kondensatormodul 40 zwölf bipolare Kondensatoren, welche
in drei Reihen 41, 42 und 43, und in
vier Spalten 45, 46, 47 und 48 angeordnet
sind, wobei die Kondensatoren derart ausgerichtet sind, dass gleiche
Polaritäten
innerhalb jeder Spalte in die gleiche Richtung zeigen und sich in
jeder Reihe abwechseln. Die Sammelschienenanordnung 27,
wie sie in 2 gezeigt ist, beinhaltet eine
erste Sammelschiene 44, welche mit jedem einzelnen Kondensator
des Kondensatormoduls 40 elektrisch gekoppelt ist, und
eine zweite Sammelschiene 50, welche sowohl mit einer Gleichstromquelle 94 als
auch mit jedem Leistungsmodul der Leistungsinverteranordnung 26 in
Verbindung steht. Die zwei Sammelschienen sind elektrisch miteinander
gekoppelt, um einen Pfad für
das Fließen
eines elektrischen Stroms zwischen der Gleichstromquelle 94,
dem Leistungsinverter 26 und/oder dem Kondensatormodul 40 bereitzustellen.
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Unter
Bezugnahme auf 2 beinhaltet die erste Sammelschiene 44 eine
Basissammelschiene 58 mit einer laminaren, binodalen Struktur,
mit einem positiven Knoten 69 und einem negativen Knoten 66, welche
elektrisch durch eine nichtleitende isolierende Schicht getrennt
sind, wie weiter unten genauer beschrieben werden wird, und ist
horizontal entlang und parallel zu der Oberseite der ersten Kondensatormodulreihe 41 angeordnet.
Die Basissammelschiene 58 ist integral mit einem ersten
Fortsatz 54 und einem zweiten Fortsatz 55 (in 3 im
Querschnitt gezeigt), welche jeweils vertikal verlaufen und zusammen
die ersten und zweiten Spalten 45 und 46 des Kondensatormoduls 40 überspannen,
verbunden und hängt
mit diesen elektrisch zusammen. Die Basissammelschiene 58 kann
auch mit einem dritten Fortsatz 56 und einem vierten Fortsatz 57 (nicht
gezeigt) verbunden sein, welche in ähnlicher Weise die dritten
und vierten Spalten 47 und 48 überspannen. Jeder der Fortsätze 54–57 besitzt
die gleiche laminare, binodale Struktur wie die Basissammelschiene 58,
und dehnt ausgehend von dieser die elektrische Durchgängigkeit
sowohl für
positive als auch negative Knoten aus. Während die erste Sammelschiene 44 in 2 mit
vier Fortsätzen
gezeigt ist, können
alternative Ausführungsformen
mit zusätzlichen
Fortsätzen
ausgebildet werden, wie in Abhängigkeit
von der Anzahl von Spalten in dem Kondensatormodul 40 erforderlich.
Die Fortsatzknoten sind elektrisch mittels positiver und negativer
Fingergruppen 60 bzw. 61 in irgendeiner herkömmlichen
Weise unter Verwendung eines Lotes oder etwas Ähnlichem mit gleichen Kondensatorknoten
gekoppelt.
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Die
zweite Sammelschiene 50 beinhaltet ebenfalls eine laminare,
binodale Struktur mit einem positiven Knoten 52 und einem
negativen Knoten 53, welche durch eine isolierende Zwischenschicht
getrennt sind. Die zweite Sammelschiene 50 kann mit der
Basissammelschiene 58 durch elektrisch leitende Stifte
verbunden sein. Bei unterschiedlichen Ausführungsformen koppeln eine erste
Gruppe negativer Stifte 64 die negativen Knoten 66 und 53 der
Basissammelschiene 58 bzw. der zweiten Sammelschiene 50 mechanisch
und elektrisch. Die negativen Stifte 64 sind von den unterschiedlichen
Knoten der entgegen gesetzten Polarität (beispielsweise in diesem Beispiel
von den positiven Knoten) elektrisch isoliert. In ähnlicher
Weise ist eine zweite Gruppe positiver Stifte 68 von allen
negativen Knoten elektrisch isoliert, und koppelt die positiven
Knoten 69 und 52 der Basis- und der zweiten Sammelschienen 58 bzw. 50 mechanisch
und elektrisch zusammen. Muttern mit Gewinde (nicht gezeigt) oder
irgendwelche geeigneten Befestigungsmittel können in Verbindung mit Gewindestiften 64 und 68 verwendet
werden, um eine Klemmkraft aufzubringen und dadurch sowohl die elektrische
Durchgängigkeit
als auch die mechanische Stabilität der zugeordneten Sammelschienen zu
stärken.
Die zweite Sammelschiene 50 beinhaltet sieben Paare von
Laschen, 70–76,
um eine elektrische Verbindung mit der Quelle 94 und den
einzelnen Leistungsmodulen der Leistungsmodulanordnung 38 bereitzustellen.
Das erste Laschenpaar 70 umfasst erste positive und negative
Laschen 78 bzw. 82, welche mit gleichen Polen 86 und 90 der
Gleichstromquelle 94 elektrisch gekoppelt sind. Die Laschenpaare 71–73 und 74–76 sind
entlang gegenüberliegender
Seiten der zweiten Sammelschiene 50 symmetrisch angeordnet
und können
mit einem Leistungsmodul gekoppelt sein, um dieses mit einem Gleichstrom-Eingangssignal
zu versorgen. Die Leistungsmodulanordnung 38 kann irgendeine
Anzahl einzelner Leistungsmodule umfassen, und kann beispielsweise
wie gezeigt in zwei Gruppen von jeweils drei, 101–103 und 104–106,
angeordnet sein, wobei jede Gruppe symmetrisch auf gegenüberliegenden
Seiten der zweiten Sammelschiene 50 angeordnet und gekoppelt
ist, um eine Vorrichtung wie einen Elektromotor 120 mit
einem dreiphasigen Wechselstrom-Ausgangssignal zu versorgen.
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Wenn
sie miteinander verbunden sind, so sind die ersten und zweiten Sammelschienen 44 und 50 derart
ausgebildet, dass sie die positiven Knoten einzelner Kondensatoren
des Moduls 40 und die Leistungsmodule 101–106 mit
dem positiven Knoten 86 der Gleichstromquelle 94 elektrisch
koppeln, wodurch an jeden von diesen eine Eingangsgleichspannung
angelegt wird, und sind derart ausgebildet, dass sie einen Pfad
für einen
Rückstrom
von den negativen Knoten dieser Bauteile zu dem negativen Knoten 90 der
Quelle 94 bereitstellen. Beispielsweise kann während des
Betriebs ein Strom durch die Quelle 94 in die erste positive
Lasche 78 eingeleitet werden und durch den positiven Knoten 52 der
zweiten Sammelschiene, die Gruppe 68 positiver Stifte,
und den positiven Knoten 69 der ersten Sammelschiene fließen. Der
Strom kann dann in den positiven Knoten des ersten Fortsatzes 54,
durch die Gruppe 60 positiver Finger in die positiven Knoten
der Kondensatoren in der zweiten Spalte 46 fließen, wo
er kapazitiv von den negativen Kondensatorknoten in den negativen Knoten
(nicht gezeigt) des zweiten Fortsatzes 55 fließend abgeleitet
wird. Der Stromfluss kann sich durch den negativen Knoten 66 der
Basissammelschiene 58 fortsetzen und über einen physikalischen Kontakt und
durch die Gruppe 64 negativer Stifte auf den negativen
Knoten 53 der zweiten Sammelschiene 50 übergehen.
Der Strom fließt
zu dem negativen Pol der Laschenpaare 70–76 und
in die Leistungsmodule 101–106 sowie den negativen
Pol 90 der Gleichstromquelle 94. Jede Bank von
drei Leistungsmodulen 101–103 und 104–106 wandelt
das Gleichstromeingangssignal in eine dreiphasige Wechselstrom-Ausgangsgröße um, welche
beispielsweise zu einem Motor 120 geleitet wird.
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3 zeigt
eine schematische Querschnittszeichnung, welche verdeutlicht, wie
die erste Sammelschiene 44 und die zweite Sammelschiene 50 elektrisch
mit einem Kondensatormodul 40 gekoppelt und zur Verminderung
der Länge
des Strompfades und damit der Induktivität kompakt angeordnet sind. Die
erste Sammelschiene 44 besitzt eine laminare, binodale
Struktur und umfasst eine Basissammelschiene 58 mit einem
negativen Knoten 66 und einem positiven Knoten 69.
Ein erster Fortsatz 54 und ein zweiter Fortsatz 55 sind
jeweils integral mit der Basissammelschiene 58 derart verbunden,
dass die gleiche elektrisch durchgängige, laminare, und binodale
Struktur wie weiter oben beschrieben erhalten wird. Die Fortsätze 54 und 55 erstrecken
sich vertikal entlang erster und zweiter Seiten 49 bzw. 51 des Kondensatormoduls 40,
und überspannen
zusammen die Spalten 45 und 46 (in 2 gezeigt).
Der erste Fortsatz 54 weist einen negativen Knoten 136 auf,
welcher über
eine Gruppe 61 negativer Finger mit den negativen Knoten
jedes Kondensators in der Spalte 45 elektrisch gekoppelt
ist, und weist einen positiven Knoten 144 auf, welcher
mit den positiven Knoten jedes Kondensators in der Spalte 46 (in 2 gezeigt)
elektrisch gekoppelt ist. In ähnlicher Weise
weist der zweite Fortsatz 55 einen negativen Knoten 148 auf,
welcher mit den negativen Knoten jedes Kondensators in der Spalte 46 (nicht
gezeigt) elektrisch gekoppelt ist, und weist einen positiven Knoten 152 auf,
welcher über
eine dritte Fingergruppe 63 mit den positiven Knoten jedes
Kondensators in der Spalte 45 elektrisch gekoppelt ist.
Die positiven und negativen Knoten der Basissammelschiene 58, und
die Fortsätze 54 und 55 sind
durch eine durchgängige
erste isolierende Schicht 132 voneinander getrennt (elektrisch
isoliert).
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Unter
fortgesetzter Bezugnahme auf 3 beinhaltet
die zweite Sammelschiene 50 ebenfalls eine binodale, laminare
Struktur mit einem positiven Knoten 52 und einem negativen
Knoten 53, welche auf verschiedenen Seiten einer zweiten
isolierenden Schicht 172 gekoppelt sind. Wie zuvor beschrieben ist
die zweite Sammelschiene 50 zur Aufnahme einer ersten Eingangsgröße von dem
positiven Pol 86 der Gleichstromquelle 94 über die
erste positive Lasche 78 gekoppelt, und ist zur Aufnahme
einer zweiten Eingangsgröße von einem
negativen Pol 90 der Gleichstromquelle 94 über eine
erste negative Lasche 82 gekoppelt. Eine Gruppe negativer
Stifte 64 erstreckt sich durch isolierte Öffnungen 184 in
der zweiten Sammelschiene 50, wodurch sie die negativen
Knoten 66 und 53 der Basis- und der zweiten Sammelschienen 58 bzw. 50 unter
Verwendung geeigneter Befestigungsmittel (nicht gezeigt) mechanisch
und elektrisch koppelt. Eine Gruppe positiver Stifte 68 erstreckt
sich durch isolierte Öffnungen 188 in
der zweiten Sammelschiene 50 und koppelt in ähnlicher
Weise die positiven Knoten 69 und 52 der Basis-
und der zweiten Sammelschienen 58 bzw. 50. Während des
Betriebs legt die Quelle 94 ein Gleichspannungssignal an
die erste positive Lasche 78 an, und leitet einen Strom
in den positiven Knoten 52 der zweiten Sammelschiene und über die
Gruppe positiver Stifte 68 in den positiven Knoten 69 der
Basissammelschiene 58 ein. Der Strom kann in den positiven
Knoten 152 des zweiten Fortsatzes 55 und durch die
Gruppe dritter Finger 63 in die positiven Knoten der Kondensatoren
in der ersten Spalte 45 fließen. Der Strom wird kapazitiv
abgeleitet und fließt
durch die Gruppe negativer Finger 61 in den negativen Knoten 136 des
ersten Fortsatzes 54, in den negativen Knoten 66 der
Basissammelschiene 58 und über die Gruppe negativer Stifte 64 in
den negativen Knoten 53 der zweiten Sammelschiene 50.
Der Strom tritt in die Leistungsmodule 101 und 104 (in 2 gezeigt)
und den negativen Pol 90 der Gleichstromquelle 94 über Laschen 162, 164 bzw. 82 ein.
Die Basis- und zweiten Sammelschienen 58 und 50 verteilen den
Strom an jedes der verbleibenden Leistungsmodule 102, 103, 105 und 106 in
einer ähnlichen
Weise.
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4 ist
eine isometrische Zeichnung, welche ausgewählte Bauteile einer Inverteranordnung 190 in Übereinstimmung
mit einer anderen beispielhaften Ausführungsform, welche ein Kondensatormodul 212 und
eine Sammelschienenanordnung 187 umfasst, verdeutlicht.
Zur Vereinfachung und zur besseren Darstellung anderer Bauteile
der Inverteranordnung 190 wurden in 4 einzelne
Leistungsmodule weggelassen. Die Sammelschienenanordnung 187 ist
durch Verkürzung
des Strompfades zwischen Eingangs- und Ausgangsknoten der Quelle, des
Kondensators, und der Leistungsmodule für eine reduzierte Gesamtinduktivität ausgebildet.
Darüber hinaus
ist die Sammelschienenanordnung 187 derart geformt, dass
sie ohne Notwendigkeit mehrerer einzelner Sammelschienen und verbindender
Befestigungsmittel elektrisch auf diese Bauteile zugreift, wodurch
der Materialverbrauch, die Anzahl an Bauteilen, und die Komplexität der Montage
minimiert werden. Die Sammelschienenanordnung 187 umfasst eine
elektrisch durchgängige
binodale, laminare Struktur, welche aus zwei parallelen Blechen
eines elektrisch leitenden Materials besteht, die mit einer dazwischen
angeordneten isolierenden Schicht verbunden und durch diese elektrisch
isoliert sind. Die beiden leitenden Schichten bilden die positiven
und negativen Knoten der Sammelschiene und weisen typischerweise
Kupfer oder eine Kupferlegierung auf, und die isolierende Schicht
weist typischerweise Mylar (biaxialorientiertes Polyethylenterephthalat – boPET)
Polyesterfolie oder Nomex-Papier auf. Gemäß einer Ausführungsform
sind die leitenden Schichten (Knoten) der Sammelschienenanordnung 187 aus
Kupfer 110 ETP mit einer Dicke von etwa 0,5 mm bis etwa
3,0 mm gefertigt, welche durch eine Schicht aus einer Mylar-Folie mit einer Dicke
von etwa 0,1 mm bis etwa 1,0 mm getrennt sind. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel
besitzen die Sammelschienenknoten eine Dicke von etwa 1,0 mm und sind
durch eine Mylar-Folie mit einer Dicke von etwa 0,2 mm getrennt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
weisen die Kupferknoten auch einen dünnen Überzug aus plattiertem Zinn
auf.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 4 kann das Kondensatormodul 212 irgendeine
Anzahl einzelner Kondensatoren umfassen, und kann zum Beispiel wie
gezeigt mit 24 einzelnen, bipolaren Kondensatoren in einer ebenen
Anordnung mit ersten bis vierten Reihen 214–217 und
ersten bis sechsten Spalten 220–225 vorgesehen werden.
Die Kondensatoren in dem Modul 212 sind derart ausgerichtet, dass
ihre gleiche Polarität
innerhalb jeder Spalte in dieselbe Richtung zeigt, und dass sich
ihre Polarität über jede
Reihe hinweg abwechselt. Die Sammelschienenanordnung 187 beinhaltet
eine Basissammelschiene 204, einen Quellfortsatz 205,
welcher für eine
elektrische Kopplung an eine Gleichstromquelle ausgebildet ist,
und seitliche Fortsätze 206–211,
welche jeweils für
eine elektrische Kopplung mit einzelnen Kondensatoren des Moduls 212 ausgebildet sind.
Während
sechs seitliche Fortsätze
gezeigt sind, kann die Sammelschienenanordnung 187 alternativ mit
irgendeiner Anzahl seitlicher Fortsätze ausgebildet sein, je nach
dem, wie dies er forderlich ist, um eine bestimmte Konfiguration
des Kondensatormoduls 212 aufzunehmen. Die Basissammelschiene 204 ist
der Unterseite der ersten Reihe 214 benachbart und parallel
zu dieser angeordnet, und ist integral mit dem Quellfortsatz 205,
welcher entlang des Endes der ersten Spalte 220 aufwärts verläuft, verbunden.
Der Quellfortsatz 205 beinhaltet eine binodale Struktur
mit einem positiven Knoten 202 und einem negativen Knoten 181,
und kann darüber
hinaus zur zweckmäßigen elektrischen
Kopplung mit einem Gleichstromquellknoten mit einer binodalen Quellauskragung 228 gebildet
sein, welche durch positive und negative Quelllaschen 229 bzw. 239 abgeschlossen
wird. Beispielsweise kann die positive Quelllasche 229 zur
Aufnahme einer ersten Eingangsgröße von einem
positiven Knoten 230 einer Gleichstromquelle 234 gekoppelt
sein, und die negative Quelllasche 239 kann in ähnlicher
Weise zur Aufnahme einer zweiten Eingangsgröße von einem negativen Knoten 242 der
Quelle 234 gekoppelt sein.
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Die
seitlichen Fortsätze 206–211 sind
jeweils integral mit der Basissammelschiene 204 verbunden, und
sind mit drei Fortsätzen
auf jeder Seite angeordnet. Jedes der seitlichen Fortsatzpaare 206/207, 208/209,
und 210/211 überspannt
zwei benachbarte Kondensatorspalten und stellt eine elektrische
Kopplung mit den einzelnen Kondensatoren in diesen bereit. Weil
diese seitlichen Fortsatzpaare bis auf ihre Position entlang des
Kondensatormoduls 212 gleich sind, wird nur der erste Fortsatz 206 und
der zweite Fortsatz 207 beschrieben werden. Diese Fortsätze erstrecken
sich von der Basissammelschiene 204 vertikal aufwärts und überspannen
zusammen die ersten und zweiten Spalten 220 und 221 des
Kondensatormoduls 212. Der erste seitliche Fortsatz 206 weist
einen negativen Knoten 274 auf, welcher durch eine Gruppe
erster Finger 191 mit den negativen Kondensatorknoten in
der ersten Spalte 220 elektrisch gekoppelt ist. In ähnlicher
Weise weist der erste seitliche Fortsatz 206 einen positiven
Knoten 278 auf, welcher über eine Gruppe zweiter Finger 192 elektrisch
mit den positiven Kondensatorknoten der zweiten Spalte 221 gekoppelt
ist. Der zweite seitliche Fortsatz 207 weist einen negativen
Knoten 282 auf, welcher elektrisch mit den negativen Kondensatorknoten
in der zweiten Spalte 221 gekoppelt ist, und weist einen
positiven Knoten 286 auf, welcher elektrisch mit den positiven
Kondensatorknoten in der ersten Spalte 220 gekoppelt ist.
Die ersten und zweiten Fingergruppen 191 bzw. 192 verbinden
die Fortsatz-/Kondensatorknoten in irgendeiner herkömmlichen
Weise mittels eines Lotes oder etwas Ähnlichem miteinander.
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Eine
erste Auskragung 300 ist integral mit dem ersten seitlichen
Fortsatz 206 ausgebildet, erstreckt sich im Wesentlichen
rechtwinklig von diesem, und ist von dem Kondensatormodul 212 nach außen gerichtet.
Ein erster Anschluss 304 ist integral mit der ersten Auskragung 300 ausgebildet
und ist im Wesentlichen parallel zu dem ersten seitlichen Fortsatz 206 und
im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Auskragung 300 ausgerichtet,
und erstreckt sich nach unten in Richtung auf die Basissammelschiene 204 zu.
Die erste Auskragung 300 und der erste Anschluss 304 weisen
jeweils eine binodale, laminare Struktur auf, welche die positiven
und negativen Knoten des ersten seitlichen Fortsatzes 206 ausdehnt. Eine
erste positive Lasche 312 und eine erste negative Lasche 308 erstrecken
sich von den positiven bzw. negativen Knoten des ersten Anschlusses 304 und
sind jeweils für
eine elektrische Kopplung mit den Eingangsknoten eines Leistungsmoduls
ausgebildet. In ähnlicher
Weise erstrecken sich eine zweite Auskragung 316, ein zweiter
Anschluss 320 und zweite positive und negative Laschen 324 und 328 (in 5 gezeigt)
nacheinander von dem zweiten seitlichen Fortsatz 207 und
sind für
eine binodale elektrische Kopplung mit einem anderen Leistungsmodul
ausgebildet. Während
jedes Segment der Sammelschienenanordnung 187 als im Wesentlichen
orthogonal zu einem verbundenen Segment ausgerichtet gezeigt ist,
sind in Abhängigkeit
von der Konfiguration der zugeordneten Kondensator- und/oder Leistungsmodule,
von Bauraumüberlegungen
und Ähnlichem andere
Ausrichtungen möglich.
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5 verdeutlicht
auf schematische Weise im Querschnitt eine Basissammelschiene 204,
erste und zweite seitliche Fortsätze 206 und 207 und
eine erste Kondensatormodulspal te 220 in Übereinstimmung
mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die
Basissammelschiene 204 beinhaltet eine laminare, binodale
Struktur mit einem negativen Basisknoten 262 und einem
positivem Basisknoten 266, welche durch eine isolierende
Schicht 270 getrennt sind. Die ersten und zweiten seitlichen
Fortsätze 206 und 207 sind
integral mit der Basissammelschiene 204 verbunden und erstrecken
sich von dieser im Wesentlichen vertikal, und überspannen zusammen die erste
Spalte 220 und die zweite Spalte 221 (in 4 gezeigt)
des Kondensatormoduls 212. Der erste seitliche Fortsatz 206 weist
einen ersten negativen Knoten 274 auf, welcher über eine
Gruppe erster Finger 191 mit den negativen Kondensatorknoten
in der ersten Spalte 220 elektrisch gekoppelt ist. In ähnlicher Weise
weist der erste seitliche Fortsatz 206 einen ersten positiven
Knoten 278 auf, welcher über eine zweite Fingergruppe 192 (in 4 gezeigt)
mit den positiven Kondensatorknoten in der zweiten Spalte 221 elektrisch
gekoppelt ist. Der zweite seitliche Fortsatz 207 weist
einen zweiten negativen Knoten 282 auf, welcher mit den
negativen Kondensatorknoten in der zweiten Spalte 221 (nicht
gezeigt) elektrisch verbunden ist, und weist einen zweiten positiven
Knoten 286 auf, welcher über eine dritte Fingergruppe 193 mit
den positiven Kondensatorknoten in der ersten Spalte 220 elektrisch
verbunden ist.
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Die
erste Auskragung 300 erstreckt sich von der Oberkante des
ersten seitlichen Fortsatzes 206 und bildet mit diesem
eine L-Form, und erstreckt sich horizontal von dem Kondensatormodul 212 weg.
Die erste Auskragung 300 weist einen ersten negativen Knoten 342 und
einen ersten positiven Knoten 346 auf, welche elektrisch
mit den ersten negativen und positiven Knoten 274 bzw. 278 des
ersten seitlichen Fortsatzes 206 verbunden sind. Der erste
Anschluss 304 erstreckt sich von der ersten Auskragung 300 nach
unten, und weist erste negative und positive Knoten 350 und 354 auf,
welche mit den negativen und positiven Knoten 342 bzw. 346 der
ersten Auskragung integral verbunden sind. Die negativen und positiven
Knoten 350 und 354 des ersten Anschlusses enden
in ersten negativen und positiven Laschen 308 bzw. 312,
wobei jede Lasche für
eine Kopplung mit einem Leistungsmodul ausgebildet ist.
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Die
zweite Auskragung 316 ist mit der Oberkante des zweiten
seitlichen Fortsatzes 207 gekoppelt, bildet mit diesem
eine L-Form, und weist zweite positive und negative Knoten 368 bzw. 360 auf,
welche mit gleichen Knoten des zweiten seitlichen Fortsatzes 207 elektrisch
zusammenhängen.
Die zweite Auskragung 316 ist mit einem zweiten Anschluss 320 gekoppelt,
welcher positive und negative Knoten 372 bzw. 376 aufweist
und sich vertikal nach unten erstreckt, wobei er in zweiten positiven
und negativen Laschen 328 bzw. 324 endet. Der
erste seitliche Fortsatz 206, die erste Auskragung 300 und
der erste Anschluss 304 bilden zusammen eine erste Zweigsammelschiene 198 in
umgekehrter asymmetrischer U-Form, welche das Spiegelbild einer ähnlichen zweiten
Zweigsammelschiene 199 in umgekehrter asymmetrischer U-Form
darstellt, welche durch die Kombination des zweiten seitlichen Fortsatzes 207, der
zweiten Auskragung 316, und des zweiten Anschlusses 320 gebildet
ist. Die Kombination der Basissammelschiene 204 mit den
Zweigen 198 und 199 stellt einen kontinuierlichen
binodalen elektrischen Zusammenhang mit durch eine einzige, durchgehende
isolierende Schicht 270 getrennten Knoten bereit. Weiterhin
erzeugt die asymmetrische umgekehrte U-Form jeder Zweigsammelschiene
erste und zweite Zwischenräume 334 bzw. 338,
in welchen Leistungsmodule (nicht gezeigt) angeordnet und in zweckmäßiger Weise
mit den nahegelegenen Laschen verbunden werden können. Die Laschen 308/312 und 324/328 sind
für eine
derartige elektrische Verbindung jeweils mit Befestigungsöffnungen,
Clips oder Ähnlichem
ausgebildet. Die Fortsätze 208–211 sind jeweils
integral mit der Basissammelschiene 204 verbunden, und
sind in ähnlicher
Weise wie die ersten und zweiten seitlichen Fortsätze 206 und 207 ausgebildet;
sie weisen jeweils eine Auskragung, einen Anschluss, und positive/negative
Laschen auf, welche gekoppelt sind, um Zweigsammelschienen in umgekehrter
asymmetrischer U-Form zu bilden und dadurch eine binodale, elektrische
Kopplung mit zusätzlichen
Leistungsmodulen bereitzustellen.
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Unter
Bezugnahme auf die 4 und 5 verteilt
die Sammelschienenanordnung 187 während des Betriebs einen von
der Gleichstromquelle 234 aufgenommenen Strom an jeden
Kondensator des Moduls 212, und überträgt das kapazitiv abgeleitete Ausgangssignal
zu den Leistungsmodulen (nicht gezeigt). Der verkürzte Pfad
des Stroms von der Quelle zum Eingang des Kondensators und von dem
Ausgang des Kondensators zu dem Leistungsmodul vermindert die gesamte
Induktivität
des Systems und minimiert den Materialverbrauch. Beispielsweise
kann ein Strom von der Quelle 234 in die erste positive Quelllasche 229 eingeleitet
werden, wo er durch die positiven Knoten des Quellfortsatzes 205 und
der Basissammelschiene 204 fließt. Der Strom teilt sich dann
zwischen den positiven Knoten jedes der seitlichen Fortsätze 206–211 auf.
Zur Vereinfachung wird nur der Strompfad, welcher die seitlichen
Fortsätze 206 und 207 umfasst,
beschrieben werden. Der Strom fließt durch jeden Fortsatz über die
Fingergruppen 193 bzw. 192 zu den positiven Knoten
jedes Kondensators in den ersten und zweiten Spalten 220 und 221.
Der Strom wird kapazitiv in die negativen Knoten 274 bzw. 282 der
ersten und zweiten seitlichen Fortsätze 206 und 207 abgeleitet
und fließt schließlich durch
die negativen Knoten der ersten und zweiten Auskragungen 300 und 316 und
der ersten und zweiten Anschlüsse 304 und 320 zu
den Laschen 308 und 324. Die Leistungsmodule,
welche in Gruppen von drei längs
der Seiten des Kondensatormoduls 212 gekoppelt sind, erzeugen
zusammen ein dreiphasiges Wechselstrom-Ausgangssignal, welches zu
einem Wechselstrom-Fahrzeugsystem geleitet wird.
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Während in
der vorstehenden detaillierten Beschreibung wenigstens eine exemplarische
Ausführungsform
dargelegt wurde, sollte verstanden werden, dass eine sehr große Anzahl
an Variationen existiert. Es sollte auch verstanden werden, dass
die beispielhafte Ausführungsform
oder die beispielhaften Ausführungsformen
nur Beispiele sind, und nicht dazu bestimmt sind, den Umfang, die
Anwendbarkeit, oder die Konfiguration der Erfindung in irgendeiner
Weise einzuschränken.
Stattdessen wird die vorstehende detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine
zweckmäßige Anleitung
sein, um das Ausführungsbeispiel
oder die Ausführungsbeispiele
umzusetzen. Es sollte verstanden werden, dass unterschiedlichste
Veränderungen
in Funktion und Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne
den Umfang der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen und
den rechtmäßigen Äquivalenten
davon dargelegt ist, zu verlassen.