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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronik gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Kraftfahrzeugantriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11.
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Stand der Technik
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In Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder einem Elektroantrieb ist ein Hochspannungsbordnetz und ein Niederspannungsbordnetz erforderlich. Das Hochspannungsbordnetz wird von einer Hochspannungsbatterie mit elektrischer Energie versorgt zum Antrieb des Kraftfahrzeuges durch eine Elektromaschine als Motor. In das Niederspannungsbordnetz ist eine Niederspannungsbatterie mit einer Spannung im Bereich von ungefähr 12 V integriert. Zur elektrischen Verbindung des Hochspannungsbordnetzes mit einer Spannung von beispielsweise 300 V mit dem Niederspannungsbordnetz ist ein Leistungswandler als Bestandteil einer Leistungselektronik erforderlich. Der Leistungswandler wandelt dabei Gleichstrom aus dem Hochspannungsbordnetz in Gleichstrom des Niederspannungsbordnetzes um und umgekehrt. Mit dem Leistungswandler ist es somit möglich, elektrische Energie von dem Hochspannungsbordnetz in das Niederspannungsbordnetz zu übertragen und umgekehrt.
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Der Leistungswandler weist dabei zwei Hochvolt-Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung mit dem Hochspannungsbordnetz auf und zwei Niedervolt-Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung mit dem Niederspannungsbordnetz auf. Ein erstes Niedervolt-Kontaktelement als –Pol und ein zweites Niedervolt-Kontaktelement als +Pol sind dabei mittels einer sogenannten Gleichtaktentstörung zu entstören. Die hierfür erforderlichen Filter sind teuer und erfordern einen großen Bauraum in nachteiliger Weise.
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Die
DE 10 2008 035 232 A1 zeigt eine Anschlussordnung für einen Leistungswandler, die Folgendes umfasst: eine erste leitfähige Komponente mit einem ersten und zweiten lösbaren Befestigungsgebilde, eine zweite leitfähige Komponente mit einem ersten und zweiten Abschnitt mit einer jeweiligen ersten und zweiten Breite, wobei die erste Breite kleiner als die zweite Breite ist und der erste Abschnitt mit dem zweiten lösbaren Befestigungsgebilde an der ersten leitfähigen Komponente lösbar befestigt ist. Ein Stromsensor, der eine durch ihn hindurchgehende Öffnung aufweist und zwischen der ersten leitfähigen Komponente und dem zweiten Abschnitt der zweiten leitfähigen Komponente derart positioniert ist, dass sich der erste Abschnitt der ersten leitfähigen Komponente durch die Öffnung hindurch erstreckt, wobei der Stromsensor auf Strom anspricht, der durch den ersten Abschnitt der zweiten leitfähigen Komponente fließt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäße Leistungselektronik, umfassend einen Leistungswandler zur Transformation von Strom zwischen einem Hochvoltstromkreis und einem Niedervoltstromkreis mit einem Leistungselektronikgehäuse, wenigstens zwei elektrische Hochvolt-Kontaktelemente zur Verbindung mit dem Hochvoltstromkreis, zwei elektrische Niedervolt-Kontaktelemente zur Verbindung mit dem Niedervoltstromkreis, wobei ein Niedervolt-Kontaktelement mittels einer Flächenschmelzsicherung mit dem Leistungselektronikgehäuse verbunden ist. Aufgrund der Ausbildung der Flächenschmelzsicherung zur elektrischen Verbindung des Niedervolt-Kontaktelements mit dem Leistungselektronikgehäuse ist an dem Niedervolt-Kontaktelement mit der Flächenschmelzsicherung keine aufwendige Entstörung, beispielsweise mit Filtern, erforderlich. Die Flächenschmelzsicherung wirkt dabei als Entstöreinrichtung aufgrund der von der Flächenschmelzsicherung zur Verfügung gestellten elektrischen Verbindung zwischen dem Niedervolt-Kontaktelement und dem Leistungselektronikgehäuse. Für eine Entstörung an dem Niedervolt-Kontaktelement ist eine Flächenschmelzsicherung erforderlich, weil aufgrund der großen Oberfläche der Flächenschmelzsicherung dadurch eine Entstörung möglich ist. Bei einer Verwendung einer Sicherung mit einer geringen Oberfläche zur Verbindung des Niedervolt-Kontaktelementes mit dem Leistungselektronikgehäuse ist eine Entstörung aufgrund der geringen Oberfläche nicht möglich. Durch die Verwendung der Flächenschmelzsicherung kann damit in vorteilhafter Weise auf eine aufwendige und teure Entstörung mittels entsprechender Filter als sogenannte Gleichtaktentstörung, Common Mode CM, verzichtet werden.
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Die Flächenschmelzsicherung wirkt außerdem als Sicherung für ein Kraftfahrzeugantriebssystem um Schäden an Schirmen zu vermeiden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Flächenschmelzsicherung eine leitfähige, insbesondere eine mit Metall beschichtete, Folie oder die Flächenschmelzsicherung ist ein Einlegebauteil, das ab einem vorgegebenen Strom schmilzt und/oder die Oberfläche der Flächenschmelzsicherung beträgt wenigstens 1 cm2, 3 cm2, 5 cm2, 10 cm2, 20 cm2, 30 cm2. Die Folie besteht beispielsweise aus einem nicht leitfähigen Material, zum Beispiel Kunststoff, und ist mit Metall, beispielsweise Kupfer oder Eisen beschichtet, weist beispielsweise einen entsprechenden Überzug oder eine Plattierung auf oder ist damit bedampft.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Flächenschmelzsicherung zwischen dem Leistungselektronikgehäuse und einer Gehäuseplatte angeordnet zur elektrischen Verbindung der Flächenschmelzsicherung mit dem Leistungselektronikgehäuse.
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Zweckmäßig besteht die Gehäuseplatte aus einem Isolationsmaterial, z. B. Kunststoff.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Flächenschmelzsicherung zwischen dem elektrischen Niedervolt-Kontaktelement und einer Platte oder einem Ring angeordnet zur elektrischen Verbindung der Flächenschmelzsicherung mit dem elektrischen Niedervolt-Kontaktelement.
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In einer ergänzenden Variante besteht die Platte oder der Ring aus elektrisch leitfähigem Material, z. B. Metall.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das elektrische Niedervolt-Kontaktelement ein Bolzen.
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Vorzugsweise besteht das Leistungselektronikgehäuse aus einem elektrisch leitfähigem Material, z. B. Metall.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist der Leistungswandler ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und das mit der Flächenschmelzsicherung verbundene elektrische Niedervolt-Kontaktelement ist ein –Pol des Leistungswandlers.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst die Leistungselektronik einen Sensor zur Erfassung eines Durchschmelzens der Flächenschmelzsicherung und/oder die Leistungselektronik umfasst einen Wechselrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und/oder umgekehrt.
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Erfinungsgemäßes Kraftfahrzeugantriebssystem für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, umfassend einen Elektromaschine als Motor zum Antrieb des Hybrid- oder Elektrofahrzeuges, vorzugsweise einen Verbrennungsmotor, eine Niederspannungsbatterie, eine Hochspannungsbatterie, ein Niederspannungsbordnetz als Niedervoltstromkreis, ein Hochvoltspannungsbordnetz als Hochvoltstromkreis, eine Leistungselektronik mit einem Leistungswandler zur Transformation von Strom zwischen dem Hochvoltstromkreis und dem Niedervoltstromkreis, wobei die Leistungselektronik als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Leistungselektronik ausgebildet ist.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform sind die Hochvoltleitungen des Hochspannungsbordnetzes mit Schirmen geschützt. Die Schirme haben die Aufgabe, dass bei Schäden an der elektrischen Isolierung um die Hochvoltleitungen die Schirme den Strom in eine Karosserie des Kraftfahrzeuges einleiten und es somit zu einem Kurzschluss im Hochspannungsbordnetz kommt, der erfasst werden kann. Die Schirme sind somit um die Hochvoltleitungen mit der elektrischen Isolierung angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Schirme mit dem Leistungselektronikgehäuse der Leistungselektronik elektrisch verbunden.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist ein Niedervolt-Kontaktelement des Leistungswandlers als –Pol mit einer Karosserie elektrisch verbunden und ein Niedervolt-Kontaktelement des Leistungswandlers als +Pol ist mit einer Niedervoltleitung mit einem +Pol der Niederspannungsbatterie elektrisch verbunden und der –Pol der Niederspannungsbatterie ist mit der Karosserie elektrisch verbunden.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist bei einem Durchschmelzen der Flächenschmelzsicherung des Leistungswandlers eine Störungsmeldung auslösbar.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Leistungselektronik und/oder ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Kraftfahrzeugantriebssystem.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine vereinfachte Darstellung einer Leistungselektronik mit einem Leistungswandler,
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2 einen Längsschnitt eines Niedervolt-Kontaktelementes des Leistungswandlers und
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3 eine Ansicht eines Kraftfahrzeuges mit einem Kraftfahrzeugantriebssystem.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Kraftfahrzeugantriebssystem 19 für ein Kraftfahrzeug 33, zum Beispiel ein Hybridfahrzeug 34 oder ein Elektrofahrzeug 35 (3) dargestellt. Mit dem Kraftfahrzeug-Antriebssystem 19 kann das Kraftfahrzeug 33 angetrieben werden.
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Das Kraftfahrzeugantriebssystem 19 umfasst eine Leistungselektronik 1 mit einem Leistungswandler 2 als Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 3 und einen Wechselrichter 4 (1). Ein Hochspannungsbordnetz 6 als Hochvoltstromkreis 5 weist eine Hochspannungsbatterie 22 zur elektrischen Versorgung des Hochspannungsbordnetzes 6 auf. Ein Niederspannungsbordnetz 8 als Niedervoltstromkreis 7 weist eine Niederspannungsbatterie 23 auf. Innerhalb eines Leistungselektronikgehäuses 11 aus Metall sind somit der Leistungswandler 2 und der Wechselrichter 4 angeordnet. Das Leistungselektronikgehäuse 11 ist somit ein Gehäuse 11 sowohl für den Leistungswandler 2 als auch für den Wechselrichter 4. Der Leistungswandler 2 ist mit zwei Hochvoltleitungen 24 mit der Hochspannungsbatterie 22 verbunden. Dabei sind an dem Leistungswandler 2 zwei Hochvolt-Kontaktelemente 9 ausgebildet. Die beiden Hochvoltleitungen 24 sind mit den beiden Hochvolt-Kontaktelementen 9 des Leistungswandlers 2 verbunden. Die Hochvoltleitungen 24 sind dabei außerhalb des Leistungselektronikgehäuses 11 und außerhalb eines Gehäuses 31 der Hochspannungsbatterie 22 von strichliert dargestellten Schirmen 26 jeweils umgeben. Die Schirme 26 dienen dazu, dass bei Schäden an einer nicht dargestellten Isolierung der Hochvoltleitungen 24 der Strom durch die leitfähigen Schirme 26 zu dem Leistungselektronikgehäuse 11 und/oder dem Gehäuse 31 der Hochspannungsbatterie 22 geleitet wird. Hierzu sind die Schirme 26 leitend mit dem Leistungselektronikgehäuse 11 und dem Gehäuse 31 der Hochspannungsbatterie 22 verbunden. Der Leistungswandler 2 ist außerdem mit zwei Niedervolt-Kontaktelementen 10 versehen und die Niedervolt-Kontaktelemente 10 verbinden den Leistungswandler 2 mit Niedervoltleitungen 25 mit der Niederspannungsbatterie 23. Dabei ist ein –Pol des Niedervolt-Kontaktelements 10 durch eine Niedervoltleitung 25 mit einer Karosserie 27 des Kraftfahrzeuges 33 verbunden und ein +Pol des Leistungswandlers 2 als Niedervolt-Kontaktelement 10 mit der Niedervoltleitung 25 mit einem +Pol der Niederspannungsbatterie 23 verbunden. Ein –Pol der Niederspannungsbatterie 23 ist mit der Niedervoltleitung 25 ebenfalls mit der Karosserie 27 verbunden.
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Elektrischer Strom, der von dem Leistungswandler 2 zu der Niederspannungsbatterie 23 geleitet wird, fließt somit gemäß der technischen Stromrichtung vom +Pol des Leistungswandlers 2 durch die Niedervoltleitung 25 anschließend zum +Pol der Niederspannungsbatterie 23. Anschließend kann der Strom von dem –Pol der Niederspannungsbatterie 23 durch die Niedervoltleitung 25 zu der Karosserie 27 geleitet werden, anschließend strömt der Strom durch die Karosserie 27 zu der Niedervoltleitung 25 und von der Niedervoltleitung 25 zu dem –Pol des Leistungswandlers 2 als Niedervolt-Kontaktelement 10.
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Der Wechselrichter 4 wandelt den Gleichstrom als Hochspannung mit einer Spannung von beispielsweise 300 V des Hochvoltstromkreises 5 in dreiphasigen Wechselstrom zum Antrieb einer Elektromaschine 20 als Elektromotor um. Hierzu ist der Wechselrichter 4 mit drei Hochvoltleitungen 24 mit der Elektromaschine 20 verbunden. Diese drei Hochvoltleitungen 24 zur elektrischen Verbindung des Wechselrichters 4 mit der Elektromaschine 20 sind dabei in analoger Weise zu den Hochvoltleitungen 24 zur elektrischen Verbindung der Hochspannungsbatterie 22 mit der Leistungselektronik 1 außerhalb des Leistungselektronikgehäuses 11 und außerhalb eines Gehäuses 31 der Elektromaschine 20 jeweils mit Schirmen 26 umgeben. Die Elektromaschine 20 kann dabei sowohl als Elektromotor als auch als Generator fungieren. Ein von der Elektromaschine 20 als Generator erzeugter Strom bei einer Rekuperation kann dabei von dem Wechselrichter 4 auch in Gleichstrom umgewandelt werden und anschließend zum Aufladen der Hochsparnungsbatterie 22 genutzt werden.
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Das Kraftfahrzeugantriebssystem 19 umfasst ferner auch einen Verbrennungsmotor 21 (3), mittels dem das Kraftfahrzeug 33 angetrieben werden kann. Der Verbrennungsmotor 21 wird dabei zum Antrieb des Kraftfahrzeuges 33 im Regelfall dann verwendet, wenn entweder aus der Hochspannungsbatterie 22 nicht genügend elektrische Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeuges 33 zur Verfügung steht oder die Hochspannungsbatterie 22 nicht ausreichend aufgeladen ist. Der Verbrennungsmotor 21 wird im Allgemeinen von der Elektromaschine 20 gestartet.
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In 2 ist ein Längsschnitt des Niedervolt-Kontaktelementes 10 des Leistungswandlers 2 als –Pol 30 dargestellt. Das Niedervolt-Kontaktelement 10 ist dabei als ein Bolzen 17 mit einer zylinderartigen Aufweitung 36 ausgebildet. Der Bolzen 17 weist dabei außenseitig, das heißt in der Darstellung in 2 rechts von dem Leistungselektronikgehäuse 11, ein nicht dargestelltes Gewinde auf. Ein Isolierkörper 28 aus Kunststoff isoliert den Bolzen 17 bezüglich des Leistungselektronikgehäuses 11 elektrisch. Zwischen der zylinderartigen Aufweitung 36 des Bolzens 17 und einer Platte 15 oder einem Ring 16 aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, ist eine leitfähige Folie 13 eingeklemmt. Hierzu wird von einer auf den Bolzen 17 außenseitig aufgeschraubten Mutter 29 eine Kraft auf die Platte 15 oder den Ring 16 aufgebracht. Radial außerhalb der Platte 15 oder des Ringes 16 ist eine Gehäuseplatte 14 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, zum Beispiel Kunststoff, in einer Ausnehmung 32 des Leistungselektronikgehäuses 11 angeordnet. Die leitfähige Folie 13 ist dabei im Weiteren zwischen dem Isolierkörper 28 und der Gehäuseplatte 14 an der Ausnehmung 32 angeordnet oder eingeklemmt. Hierzu wird von der Mutter 29 auch auf die Gehäuseplatte 14 eine entsprechende Kraft aufgebracht. Aufgrund des Kontaktes zwischen der leitfähigen Folie 13 und dem Leistungselektronikgehäuse 11 aus Metall an der Ausnehmung 32, wobei die Gehäuseplatte 14 die leitfähige Folie 13 auf das Leistungselektronikgehäuse 11 drückt, besteht eine elektrische Verbindung zwischen der leitfähigen Folie 13 als Flächenschmelzsicherung 12 und dem Leistungselektronikgehäuse 11. Die elektrische Verbindung zwischen der leitfähigen Folie 13 und dem Niedervolt-Kontaktelement 10 bzw. dem Bolzen 17 besteht aufgrund des Kontaktes zwischen der leitfähigen Folie 13 und der zylinderartigen Aufweitung 36 des Bolzens 17. Die leitfähige Folie 13 besteht aus Kunststoff, der mit einem leitfähigen Metall beschichtet oder bedampft ist. Der Bolzen 17 ist ferner mit der Niedervoltleitung 25 elektrisch und mechanisch verbunden, sodass der Bolzen 17 als –Pol 30 des Leistungswandlers 2 mit der Karosserie 27 verbunden ist (1).
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Die leitfähige Folie 13 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem –Pol 30 als Niedervolt-Kontaktelement 10 und dem Leistungselektronikgehäuse 11 her. Aufgrund der großen Oberfläche der leitfähigen Folie 13 als Flächenschmelzsicherung 12 kann die leitfähige Folie 13 zur Entstörung des Leistungswandlers 2 an dem –Pol genutzt werden.
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Die Niedervoltleitung 25 zur Verbindung des –Pols 30 des Leistungswandlers 2 mit der Karosserie 27 kann beschädigt werden oder die Niedervoltleitungen 25 an dem Bolzen 17 kann aufgrund eines Fehlers oder Schadens nicht mit dem Bolzen 17 verbunden sein. Dadurch besteht keine elektrische Verbindung zwischen dem Bolzen 17 als –Pol 30 des Leistungswandlers 2 und der Karosserie 27 des Kraftfahrzeuges 33. Der von dem +Pol des Leistungswandlers 2 in die Niederspannungsbatterie 23 eingeleitete Strom kann damit nicht mehr von der Karosserie 27 durch die Niedervoltleitung 25 in den Leistungswandler 2 durch den Bolzen 17 eingeleitet werden. Aufgrund der elektrischen Verbindung des Gehäuses 31 der Hochspannungsbatterie 22 und des Gehäuses 31 der Elektromaschine 20 mit der Karosserie 27 und der elektrischen Verbindung mittels der Schirme 26 zwischen dem Leistungselektronikgehäuse 11 und dem Gehäuse 31 der Hochspannungsbatterie 22 und der Elektromaschine 20 kann der elektrische Strom durch die Schirme 26, durch das Leistungselektronikgehäuse 11 und anschließend durch die leitfähige Folie 13 in den Bolzen 17 eingeleitet werden. Dabei treten große Ströme, zum Beispiel im Bereich von 200 A, auf. Die Schirme 26 an den Hochvoltleitungen 24 sind für derart große Ströme nicht ausgelegt. Aus diesem Grund ist die Flächenschmelzsicherung 12 dahingehend ausgelegt bzw. weist eine entsprechende Stromtragfähigkeit auf, dass bei einem Überschreiten des zulässigen Stroms in den Schirmen 26 die Flächenschmelzsicherung 12 schmilzt und damit keine elektrische Verbindung mehr zwischen dem Leistungselektronikgehäuse 11 und dem Bolzen 17 bzw. dem –Pol 30 des Leistungswandlers 2 besteht. Die maximale Stromtragfähigkeit der Flächenschmelzsicherung 12 beträgt beispielsweise 70 A. Ab einem Strom von 70 A, der durch die Flächenschmelzsicherung 12 geleitet wird, schmilzt somit die Flächenschmelzsicherung 12 und die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungselektronikgehäuse 11 und dem Bolzen 17 ist unterbrochen. Dadurch sind die Schirme 26 vor einer Überbeanspruchung oder Beschädigung durch auftretende große Ströme geschützt. Daraus resultierende Schäden an den Schirmen 26 können damit aufgrund der Flächenschmelzsicherung 12 nicht auftreten. Ein Sensor 18 erfasst das Durchschmelzen der Flächenschmelzsicherung 12 und das Kraftfahrzeug 33 gibt eine Störungsmeldung aus, zum Beispiel ein optisches und/oder ein akustisches Signal. Anstelle des Sensors 18 an der Flächenschmelzsicherung kann der Sensor 18 auch als Spule an dem Bolzen 17 ausgebildet sein (nicht dargestellt), der den durch den Bolzen 17 geleiteten Strom erfasst. Sofern kein Strom durch den Bolzen 17 fließt, ist an dem Bolzen 17 die Niedervoltleitung 25 nicht mehr in elektrischen Kontakt mit dem Bolzen 17 und die Flächenschmelzsicherung 12 durchgeschmolzen. Die Flächenschmelzsicherung 12 ist ein preiswertes Bauteil und kann bei einem Durchschmelzen einfach mit einem geringen Kostenaufwand ausgewechselt werden.
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Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Leistungselektronik 1 und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugantriebssystem 19 wesentliche Vorteile verbunden. An dem –Pol 30 des Leistungswandlers 2 ist keine aufwendige und teure Gleichtaktentstörung, im sogenannten Common Mode, erforderlich. Die Entstörung wird einfach und preiswert mittels der leitfähigen Folie 13 im normalen Betrieb des Leistungswandlers 2 durchgeführt. Bei einer Durchtrennung der elektrischen Verbindung zwischen dem –Pol 30 und der Karosserie 27, beispielsweise wegen eines Schadens an der Niedervoltleitung 25, schmilzt die Flächenschmelzsicherung 12, sodass dadurch in einfacher Weise Schäden an den Schirmen 26 vermieden werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008035232 A1 [0004]
