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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Schaltanordnung und ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung mindestens eines elektrischen Bauteils.
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In Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden Elektromotoren u. a. zum Antrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs genutzt. Eine Ansteuerung des Elektromotors, insbesondere von Phasen des Elektromotors, erfolgt hierbei über eine Leistungselektronik. Die Leistungselektronik kann hierbei einen so genannten Wechselrichter ausbilden. Die Leistungselektronik wandelt elektrische Energie, die in der Regel in einer Hochvolt-Batterie oder Traktionsbatterie gespeichert ist, in Wechselgrößen, insbesondere in einen Wechselstrom und eine Wechselspannung. Der Elektromotor kann hierbei als zwei- oder dreiphasige permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Die Leistungselektronik zur Ansteuerung der verschiedenen Phasen des Elektromotors umfasst hierbei elektrische Schalter, die z. B. als Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) ausgebildet sein können. Auch kann die Leistungselektronik Treiberschaltungen zur Ansteuerung der elektronischen Schalter umfassen. Weiter kann die Leistungselektronik auch Einheiten zur Erzeugung eines Steuersignals, z. B. Mikrocontroller, umfassen, wobei das Steuersignal ein Eingangssignal für die Treiberschaltungen der elektrischen Schalter darstellt.
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Zur Übertragung elektrischer Energie von der Hochvolt-Batterie zur Leistungselektronik führt in der Regel eine entsprechende Kabelverbindung von der Hochvolt-Batterie zu einem Gehäuse der Leistungselektronik. In diese elektrische Verbindung können weitere elektrische Bauteile integriert werden, z. B. so genannte EMV-Filter, die eine elektromagnetische Verträglichkeit der Schaltungsanordnung verbessern. Hierbei wird ein Spannungsausgang der Hochvolt-Batterie mit dem EMV-Filter und dieser EMV-Filter mit der in dem Gehäuse angeordneten Leistungselektronik jeweils über entsprechende Kabelverbindungen verbunden. Auch können Kondensatoren in der elektrischen Verbindung zwischen Hochvolt-Batterie und Leistungselektronik zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie angeordnet werden.
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Die
DE 10 2007 024 567 A1 offenbart eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur mit integrierter Leistungselektronik für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug. In einem Gehäuse sind hierbei Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler), jedoch keine Wechselrichter angeordnet. An einem rückwärtigen Ende des Gehäuses sind Anschlüsse oder Ausgänge für einen Anschluss der DC/DC-Wandler an einen elektrischen Energiespeicher vorgesehen. Weiter offenbart die Druckschrift, dass eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Schaltungsanordnung über eine gemeinsame Abschirmung für in einem einzigen Gehäuse integrierte Komponenten durch das Gehäuse erreicht wird.
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Zur Verbesserung einer elektromagnetischen Verträglichkeit existieren hierbei unterschiedliche Ansätze. Die EMV-Verträglichkeit kann insbesondere durch eine Erdung der entsprechenden elektronischen Bauteile, eine Schirmung der elektronischen Bauteile, insbesondere durch ein Gehäuse der elektronischen Bauteile, oder durch einen EMV-Filter erfolgen.
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Sind diese EMV-Filter in einem separaten Gehäuse zwischen Hochvolt-Batterie und Gehäuse der Leistungselektronik angeordnet, so ergibt sich nachteilig, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem EMV-Filter und der Leistungselektronik wieder störanfällig gegenüber elektromagnetischen Signalen ist und somit eine Wirkung des EMV-Filters nachträglich vermindert wird.
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Es stellt sich das technische Problem, eine Vorrichtung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung zu schaffen, welches eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit, einen reduzierten Bauraumbedarf und eine reduzierte Anzahl von frei zu verlegenden elektrischen Verbindungen aufweist sowie eine schwingungsfeste Anordnung eines EMV-Filters ermöglicht.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 6 und 8. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung mindestens eines elektrischen Bauteils. Die Vorrichtung dient hierbei insbesondere zur Kontaktierung eines elektrischen Bauteils in einem Kraftfahrzeug. Das elektrische Bauteil kann hierbei ein elektronisches Bauteil sein, insbesondere ein Halbleiterelemente umfassendes elektronisches Bauteil. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Gehäuse und weist mindestens ein Element zur elektrischen Kontaktierung auf. Das mindestens eine elektrische Bauteil ist innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Element zur elektrischen Kontaktierung ist von außerhalb des Gehäuses kontaktierbar. Weiter ist das Element zur elektrischen Kontaktierung mit dem elektrischen Bauteil elektrisch verbunden.
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Hierbei sind Elemente zur elektrischen Verbindung, beispielsweise Kabel oder Leiterbahnen auf Leiterplatten, des Elements zur elektrischen Kontaktierung mit dem elektrischen Bauteil ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist das Element zur elektrischen Kontaktierung innerhalb des Gehäuses angeordnet und als elektrisch-funktionelles Element ausgebildet.
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Ein elektrisch-funktionelles Element bezeichnet hierbei ein aus elektrischen oder elektronischen Elementen bestehendes Element, mittels welchem mindestens eine Signaleigenschaft, insbesondere eine Frequenzeigenschaft, eines in Bezug auf das elektrisch-funktionelle Element eingangsseitig anliegenden Signals veränderbar ist. Hierdurch kann also die mindestens eine Signaleigenschaft eines eingangsseitig anliegenden Signals von der mindestens einen Signaleigenschaft eines in Bezug auf das elektrisch-funktionelle Element ausgangsseitig anliegenden Signals verschieden sein.
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Insbesondere können durch das elektrisch-funktionelle Element Signaleigenschaften eines Spannungssignals veränderbar sein, insbesondere Frequenzeigenschaften. Eine Frequenzeigenschaft bezeichnet hierbei z. B. einen spektralen Leistungsanteil einer bestimmten Frequenz des Signals an dem gesamten Leistungsspektrum des Signals.
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Insbesondere kann das elektrisch-funktionelle Element ein elektrisch-funktionelles Element eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sein, insbesondere eine (Zwischenkreis-)Kapazität oder ein EMV-Filter, was nachfolgend näher erläutert wird. Das Traktionsnetz umfasst hierbei alle notwendigen elektrischen oder elektronischen Elemente zur Übertragung von Energie zwischen einer Traktionsbatterie und einem Elektromotor des Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
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Insbesondere kann das Element zur elektrischen Kontaktierung einen Eingangskontakt aufweisen, wobei der Eingangskontakt von außerhalb des Gehäuses kontaktierbar ist. Beispielsweise ist ein Spannungsausgang einer Batterie, die beispielsweise eine Hochvolt-Batterie oder Traktionsbatterie sein kann, mittels einer elektrischen Verbindung, beispielsweise einer als Kabel oder Leitung ausgebildeten elektrischen Verbindung, mit dem Eingangskontakt des Elements zur elektrischen Kontaktierung elektrisch verbindbar. Weiter kann das Element zur elektrischen Kontaktierung mindestens einen Ausgangskontakt aufweisen, wobei der Ausgangskontakt elektrisch mit dem elektrischen Bauteil verbunden ist. Durch die Anordnung des elektrisch-funktionellen Elements im gleichen Gehäuse, in welchem auch das mindestens eine elektrische Bauteil angeordnet ist, ergibt sich in vorteilhafter Weise eine von der Verbindungslänge her wesentlich reduzierte elektrische Verbindung zwischen dem elektrisch-funktionellen Element und dem elektrischen Bauteil. Ist das Element zur elektrischen Kontaktierung beispielsweise außerhalb des Gehäuses angeordnet und zumindest teilweise mittels eines Kabels mit dem elektronischen Bauteil verbunden, so ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Reduktion der Kabellänge dieses Kabels. Weiter ist im erfindungsgemäßen Fall die elektrische Verbindung zwischen dem elektrisch-funktionellen Element und dem elektrischen Bauteil in vorteilhafter Weise innerhalb eines Gehäuses angeordnet, welches als Schirmung gegen elektromagnetische Störungen dient. Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit verbesserte Kontaktierung des mindestens einen elektrischen Bauteils, da einerseits eine Verbindungslänge reduziert und andererseits die entsprechende Verbindung durch das Gehäuse abgeschirmt ist.
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Ist das Gehäuse fest im Kraftfahrzeug angeordnet und ist eine Verbindungslänge zwischen dem im Gehäuse angeordneten elektrisch-funktionellen Element und dem ebenfalls im Gehäuse angeordneten elektrischen Bauteil eine vorbestimmte Länge, so ist das elektrisch-funktionelle. Element bevorzugt an einer Gehäusewand des Gehäuses angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine möglichst große Reduktion einer Verbindungslänge zwischen z. B. einer ebenfalls fest im Kraftfahrzeug angeordneten Traktionsbatterie und dem elektrisch-funktionellen Element, wodurch in vorteilhafter Weise Auswirkungen elektromagnetische Störungen reduziert werden.
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Das Element zur elektrischen Kontaktierung kann hierbei innerhalb eines Steckergehäuses angeordnet sein, wobei das Steckergehäuse innerhalb des Gehäuses des mindestens einen elektrischen Bauteils angeordnet ist. Weiter kann das Steckergehäuse genormte Anschlüsse oder Kontakte aufweisen. Beispielsweise kann das Steckergehäuse Anschlüsse oder Kontakte für eine ZSB-Steckverbindung aufweisen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass das mindestens eine elektrische Bauteil weiterhin über genormte Steckverbindungen kontaktierbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine elektrische Bauteil ein Element zur Wechselrichtung (Wechselrichter). Das Element zur Wechselrichtung dient insbesondere einer Ansteuerung von Phasen eines Elektromotors eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Der Wechselrichter kann hierbei elektrische Elemente zur Leistungsschaltung insbesondere IGBTs oder MOSFETs umfassen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine verbesserte Signalqualität einer Versorgungsspannung eines Wechselrichters eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, wodurch eine verbesserte Ansteuerung eines Elektromotors möglich ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Element zur elektrischen Kontaktierung als EMV-Filter oder als Kapazität oder als Kombination eines EMV-Filters mit einer elektrischen Kapazität ausgebildet. Der EMV-Filter bezeichnet hierbei ein elektrisch-funktionelles Element mittels dessen durch elektromagnetische Störungen bedingte Signaleigenschaften reduziert werden. Die Kapazität kann hierbei eine Zwischenkreiskapazität eines Traktionsnetzes sein. Sind EMV-Filter und Kapazität kombiniert, so kann die elektrische Kapazität innerhalb des Steckergehäuses oder außerhalb des Steckergehäuses angeordnet sein. Jedoch ist die elektrische Kapazität ebenfalls innerhalb des Gehäuses des mindestens einen elektrischen Bauteils angeordnet. Die mindestens eine elektrische Kapazität kann hierbei als Kondensator ausgebildet sein, der als Energiespeicher zwischen dem mindestens einen elektrischen Bauteil, insbesondere dem Wechselrichter, und dem EMV-Filter dient.
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In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens ein Eingangskontakt des Elements zur elektrischen Kontaktierung als Steckkontakt ausgebildet. Wie vorhergehend erläutert, ergibt sich hierdurch in vorteilhafter Weise, dass das mindestens eine elektrische Bauteil weiterhin durch vorzugsweise normierte Steckverbindungen kontaktiert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse mindestens eine Öffnung auf, wobei das Element zur elektrischen Kontaktierung mindestens einen Eingangsabschnitt aufweist. Der mindestens eine Eingangsabschnitt weist den mindestens einen Eingangskontakt auf. Weiter liegt eine Außenwand oder Stirnseite des Eingangsabschnitts zumindest teilweise an einem gehäuseinnenseitigen Rand der Öffnung des Gehäuses an. Der Eingangsabschnitt kann hierbei von dem vorhergehend erläuterten Steckergehäuse ausgebildet werden. Auch kann ein Dichtelement zwischen einer Außenwand des Eingangsabschnitts und dem gehäuseinnenseitigen Rand der Öffnung des Gehäuses angeordnet sein, welches einen Innenraum des Gehäuses fluiddicht abdichtet. Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass das innerhalb des Gehäuses angeordnete Element zur elektrischen Kontaktierung von außerhalb des Gehäuses kontaktierbar ist, das Gehäuse jedoch fluiddicht gegenüber einer Umgebung des Gehäuses abgeschlossen ist.
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Weiter vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung, insbesondere eine Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug. Die Schaltungsanordnung umfasst mindestens eine Spannungsquelle, vorzugsweise eine Hochvolt-Batterie oder Traktionsbatterie. Weiter umfasst die Schaltungsanordnung mindestens ein elektrisches Bauteil, vorzugsweise ein Element zur Wechselrichtung. Weiter umfasst die Schaltungsanordnung die vorhergehend erläuterte Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen elektrischen Bauteils.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist hierbei in vorteilhafter Weise eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit auf. Insbesondere gewährleistet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine verbesserte Signalqualität einer Versorgungsspannung eines Elements zur Wechselrichtung. Auch reduziert die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise eine Verbindungslänge von elektrischen Verbindungen, insbesondere Kabeln oder Leitungen, zwischen einem elektrisch-funktionellen Elements des Traktionsnetzes, beispielsweise einem EMV-Filter, und dem elektrischen Bauteil. Auch ist eine Bauraumanforderung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise reduziert.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung mindestens eines elektrischen Bauteils. Insbesondere vorgeschlagen wird ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung mindestens eines elektrischen Bauteils in einem Kraftfahrzeug. Hierbei wird eine Spannungsquelle über mindestens eine elektrische Verbindung, beispielsweise einer als Kabel ausgeführten elektrischen Verbindung, mit mindestens einem Element zur elektrischen Kontaktierung elektrisch verbunden. Das Element zur elektrischen Kontaktierung ist hierbei elektrisch mit dem mindestens einen elektrischen Bauteil verbunden. Weiter ist das mindestens eine elektrische Bauteil innerhalb eines Gehäuses angeordnet, wobei das Element zur elektrischen Kontaktierung ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordnet und als elektrisch-funktionelles Element ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das mindestens eine elektrische Bauteil ein Element zur Wechselrichtung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung, durch welches ein gegen elektromagnetische Störungen robustes Übertragen elektrischer Signale möglich ist. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduktion eines Verkabelungsaufwands, da nur eine elektrische Verbindung zwischen z. B. einer Hochvolt-Batterie und dem Element zur elektrischen Kontaktierung frei verlegt werden muss. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Element zur elektrischen Kontaktierung und dem mindestens einen elektrischen Bauteil ist hierbei bereits vorhanden und platzsparend sowie elektrisch abgeschirmt ausgeführt.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine schematische Übersicht über Elemente eines Elektrofahrzeugs (Stand der Technik),
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2 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung,
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3 eine Explosionsansicht einer Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung und
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4 eine weitere Ansicht einer Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
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In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Systems 1 eines Elektrofahrzeugs 2 dargestellt. Das elektrische System 1 umfasst hierbei eine Traktionsbatterie 3, eine Einheit 4 zum Batteriemanagement, einen Wechselrichter 5, einen Gleichstromwandler 6, ein Bordnetz 7, eine Einheit 8 zur Regelung eines Elektromotors 9 sowie den Elektromotor 9. Weiter ist in 1 eine Schnittstelle 10 zu einem externen Stromnetz dargestellt, wobei die Traktionsbatterie 3 aus dem externen Stromnetz 10 mittels einer Einheit 11 zur Steuerung eines Ladevorgangs geladen werden kann. Hierbei ist dargestellt, dass die Traktionsbatterie 3 mit dem Wechselrichter 5 über elektrische Leitungen 12 elektrisch verbunden ist. Der Wechselrichter 5 dient hierbei der Erzeugung von Wechselströmen und Wechselspannungen aus der von der Traktionsbatterie 3 zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung, die eine. Gleichspannung ist. Hierbei werden nicht dargestellte elektronische Schalter, z. B. IGBTs, mittels der Einheit 8 zur Regelung derart geregelt, dass der Elektromotor 9 z. B. ein gewünschtes Drehmoment erzeugt.
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In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 13 dargestellt. Die Schaltungsanordnung 13 umfasst hierbei eine Traktionsbatterie 3, einen EMV-Filter 14 und einen Wechselrichter 5. Der Wechselrichter 5 und der EMV-Filter 14 sind innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 15 angeordnet. Hierbei ist der EMV-Filter 14 als Element zur elektrischen Kontaktierung ausgebildet. Eingangsseitig ist der EMV-Filter 14 mittels elektrischer Leitungen 12 mit der Traktionsbatterie 3 elektrisch verbunden. Insbesondere kann der EMV-Filter 14 als ein Tiefpassfilter ausgebildet sein. Der EMV-Filter 14 filtert hierbei eine Ausgangsspannung der Traktionsbatterie 3. Ausgangsseitig ist der EMV-Filter 14 mit einem Eingang des Wechselrichters 5 elektrisch verbunden. Der Wechselrichter 5 erzeugt hierbei Phasenspannungen von Phasen U, V, W eines dreiphasigen, z. B. in 1 dargestellten, Elektromotors 9.
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In 3 ist eine Explosionszeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung dargestellt. In einem gemeinsamen Gehäuse 15 ist hierbei ein EMV-Filter 14 angeordnet. Elektronische Bauteile des EMV-Filters 14 sind hierbei in einem Steckergehäuse 16 angeordnet. Das Steckergehäuse 16 ist hierbei innerhalb des gemeinsamen Gehäuses 15 angeordnet. Das Steckergehäuse 16 weist hierbei einen Eingangsabschnitt 17 auf, der einen ovalförmigen Querschnitt aufweist. Innerhalb des Eingangsabschnitts 17 sind Eingangskontakte 18 angeordnet. Weiter weist das gemeinsame Gehäuse 15 eine Öffnung 19 auf. Hierbei ist ein an einer elektrischen Leitung 12 endseitig angeordneter Stecker 20 durch die Öffnung 19 in das gemeinsame Gehäuse 15 einsteckbar, wobei der EMV-Filter 14 derart im gemeinsamen Gehäuse 15 angeordnet ist, dass im eingesteckten Zustand des Steckers 20 Steckkontakte 21 des Steckers 20 die Eingangskontakte 18 des EMV-Filters 14 kontaktieren und somit eine elektrische Verbindung herstellen. Weiter weist der EMV-Filter 14 Ausgangskontakte 22 auf, die mit dem nicht in 3 dargestellten Wechselrichter 5 mittels nicht dargestellter Kabel oder Leitungen verbunden werden können.
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In 4 ist ein durch einen Stecker 20 kontaktierter EMV-Filter 14, der in einem Steckergehäuse 16 angeordnet ist, dargestellt.
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Hierbei ist der EMV-Filter 14 derart in einem gemeinsamen Gehäuse 15 angeordnet, dass eine Stirnseite 23 eines Eingangsabschnitts 17 eines Steckergehäuses 16 bündig an einem gehäuseinnenseitigen Rand einer in 3 dargestellten Öffnung 19 des gemeinsamen Gehäuses 15 anliegt. Ein Endabschnitt 25 (siehe 3) des endseitigen Steckers 20 ist hierbei derart ausgebildet, dass ein Teil der Außenwand des Endabschnitts 25 an einer Innenwand der Öffnung 19 entlang eines Umfangs der Öffnung 19 anliegt. Die Steckkontakte 21 ragen dann in den Eingangsabschnitt 17 hinein und kontaktieren die Eingangskontakte 18.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrisches System
- 2
- Elektrofahrzeug
- 3
- Traktionsbatterie
- 4
- Einheit zum Batteriemanagement
- 5
- Wechselrichter
- 6
- Gleichstromwandler
- 7
- Bordnetz
- 8
- Einheit zur Regelung
- 9
- Elektromotor
- 10
- externes Stromnetz
- 11
- Einheit zur Steuerung eines Ladevorgangs
- 12
- elektrische Leitung
- 13
- Schaltungsanordnung
- 14
- EMV-Filter
- 15
- gemeinsames Gehäuse
- 16
- Steckergehäuse
- 17
- Eingangsabschnitt
- 18
- Eingangskontakte
- 19
- Öffnung
- 20
- endseitiger Stecker
- 21
- Steckkontakte
- 22
- Ausgangskontakte
- 23
- Stirnseite
- 25
- Endabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007024567 A1 [0004]
