DE102011080912A1

DE102011080912A1 - Fahrzeug mit Leistungselektronik

Info

Publication number: DE102011080912A1
Application number: DE102011080912A
Authority: DE
Inventors: Jose LOPEZ DE ARROYABE
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-02-14
Also published as: WO2013023931A3; CN103717441B; US20140152092A1; CN103717441A; WO2013023931A2; US9925880B2

Abstract

Fahrzeug mit einer Leistungselektronikeinheit zum Wandeln von Energie zwischen einem Gleichstromkreis und einer mehrphasigen Drehstrommaschine, wobei die Leistungselektronikeinheit ein Leistungsmodul, eine Treiberplatine und eine Steuerplatine umfasst, und die Leistungselektronikeinheit zwei Gleichstromschienen aufweist, an die der Gleichstromkreis anschließbar ist, und die Leistungselektronikeinheit Phasenstromschienen aufweist, an die mehrphasige Drehstrommaschine anschließbar ist, wobei die Anzahl der Phasenstromschienen der Anzahl der Phasen der mehrphasigen Drehstrommaschine entspricht, derart ausgebildet, dass die Anordnung des Leistungsmoduls, der Treiberplatine und der Steuerplatine einem Sandwich-Aufbau entspricht, die Phasenstromschienen mit dem Leistungsmodul verbunden sind, und die Steuerplatine für jede Phasenstromschiene eine Durchführung aufweist, durch die die jeweilige Phasenstromschiene durchgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Leistungselektronikeinheit zum Wandeln von Energie zwischen einem Gleichstromkreis und einer mehrphasigen Drehstrommaschine, wobei die Leistungselektronikeinheit ein Leistungsmodul, eine Treiberplatine und eine Steuerplatine umfasst, die Leistungselektronikeinheit zwei Gleichstromschienen aufweist, an die der Gleichstromkreis anschließbar ist, und die Leistungselektronikeinheit Phasenstromschienen aufweist, an die die mehrphasige Drehstrommaschine anschließbar ist, wobei die Anzahl der Phasenstromschienen der Anzahl der Phasen der mehrphasigen Drehstrommaschine entspricht.
Leistungselektronische Komponenten, die in modernen Kraftfahrzeugen wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, sind im Vergleich zu stationären Anwendungen wie in der Industrie- und Anlagentechnik kritischeren Anforderungen ausgesetzt. Dies betrifft beispielsweise die geometrischen Gestaltung und den Bauraum, sowie die Temperaturbeständigkeit oder die Auslegung für den Kurzzeitbetrieb.
In Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang werden als Leistungselektronikkomponenten insbesondere elektrische Wechsel- bzw. Gleichrichter benötigt, die Energie zwischen einem Gleichspannungsbordnetz im Hochvoltbereich und einer mehrphasigen E-Maschine wandeln. In einem elektrischen Wechselrichter kommen zu einem Leistungsmodul gruppierte elektronische Halbleiterhochleistungsschalter, meist IGBTs (insulated-gate bipolar transistors), zum Einsatz, das einer bestückten Leiterplatte ähnelt. Weiterhin weist ein Wechselrichter meist eine separate Treiberplatine auf, über die die Spannungssteuerung der Gates erfolgt. Außerdem verfügt ein Wechselrichter über eine Steuerplatine, die einen zentralen Prozessor (CPU) aufweist. Die Betriebsspannung der Steuerplatine liegt üblicherweise im Niedervoltbereich, die Treiberplatine und das Leistungsmodul sind für Hochspannung ausgelegt.
Nach dem Stand der Technik ist das Leistungsmodul mit Stromschienen für den Fluss des Wechselstroms verbunden. Üblicherweise sind die Stromschienen mit Stromsensoren ausgestattet. Meist wird ein analoges Messsignal der Stromsensoren an die CPU der Steuerplatine übermitteln. Wie aus der wissenschaftlichen Publikation DOI 10.1109/ISPSD.2008.4538886 hervorgeht, wird alternativ nach einen kostenintensiveren Ausgestaltung das Messsignal am Ort der Messung prozessiert. Aus dem Dokument US 2004/0066643 geht eine Anordnung für Stromschienen und metallischer Schirmplatte hervor, um die Wechselwirkungen der Elektronik mit den elektromagnetische Störfeldern durch das Schalten der IGBTs zu minimieren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einer verbesserten Leistungselektronikeinheit zu beschreiben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit Leistungselektronikeinheit gemäß Anspruch

1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß entspricht die Anordnung des Leistungsmoduls, der Treiberplatine und der Steuerplatine einem Sandwich-Aufbau, wobei die Phasenstromschienen mit dem Leistungsmodul verbunden sind. Überdies weist die Steuerplatine für jede Phasenstromschiene eine Durchführung auf, durch die jeweilige Phasenstromschiene durchgeführt ist.
Dadurch wird der Effekt erzielt, dass die Phasenstromschienen in möglichst geringer räumlicher Entfernung zur Steuerplatine angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerplatine an jeder Durchführung einen Stromsensor auf, wobei jeder Stromsensor den Strom in der jeweiligen Phasenstromschiene misst.
Dies bietet den besonderen Vorteil, dass die Stromsensoren, die die jeweiligen Phasenströme der elektrischen Maschine in den Phasenstromschienen ermitteln, durch die Anordnung der Phasenstromschienen auf der Steuerplatine integrierbar sind.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung weist die Steuerplatine einen zentralen Prozessor und eine analoge Datenverbindung zu jedem der Stromsensoren auf. Jeder Stromsensor übermittelt über die dem jeweiligen Sensor zugeordnete Datenverbindung ein Strommesssignal.
Bevorzugt sind die Datenverbindung Kabelverbindungen ausgeführt, über die jeweils ein analoges Messsignal von den jeweiligen Stromsensoren an den zentralen Prozessor übermittelt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass sich eine minimierte Länge der Kabelverbindung zwischen den Stromsensoren und dem zentralen Prozessor infolge der geringen räumlichen Distanz ergibt. Deshalb ist die Empfindlichkeit der Strommesssignale gegenüber elektromagnetischen Störungen gering.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn das Fahrzeug als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Elektro- und Hybridfahrzeuge verfügen über einen elektrifizierten Antriebsstrang im Hochvoltbereich von bis zu über 380 Volt. Der Antriebsstrang ist aufgrund einer Vielzahl von Betriebszuständen und Einflussgrößen möglichst präzise zu steuern. Eine nahezu störungsfreie Messung der Phasenströme der elektrischen Maschine leistet hierfür einen Beitrag.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen kommen in der Leistungselektronik Stromsensoren zum Einsatz, um die Phasenströme der elektrischen Maschine zu messen. Diesen Stromsensoren kommt eine zentrale Bedeutung bei der Regelung der elektrischen Maschine zu. Deshalb sind Störungen oder Phasenverschiebungen der Strommesssignale von den Stromsensoren unbedingt zu vermeiden. Durch eine geschickte topologischen Anordnung der Platinen der Leistungselektronik kann die Signalqualität entscheiden verbessert werden. Dies kann erreicht werden, indem die Phasenstromsensoren auf der Controllerplatine platziert werden, um die Leiterbahnlänge zwischen dem Stromsensor und dem Analog-Digital-Wandler der CPU zu minimieren. Hierzu werden die Stromschienen für die einzelnen Phasen durch die Controllerplatine geführt. Daraus entsteht ein Potential zur Einsparung von Materialkosten und Gewicht.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch
1 Leistungselektronikeinheit
2 Leistungselektronikeinheit in Explosionsdarstellung
1 zeigt schematisch eine Leistungselektronikeinheit für ein Kraftfahrzeug. In 2 ist die Leistungselektronikeinheit in einer Explosionszeichnung dargestellt, wobei die Bezugszeichen in 2 den Bezugszeichen in 1 entsprechen. Die Leistungselektronikeinheit ist als beispielhaft als leistungselektronischer Wechselrichter für eine dreiphasige elektrische Maschine ausgeführt.
Auf einer Platine, die als Leistungsmodul (1) bezeichnet wird, befinden sich drei Halbbrücken (2‘, 2‘‘, 2‘‘‘) von Hochleistungshalbleiterschaltern (IGBTs, insulated-gate bipolar transistors) und Halbleiterdioden. Jede Halbbrücke ist jeweils mit einer Phasenstromschiene (3‘, 3‘‘, 3‘‘‘) verbunden. Die Phasenstromschienen sind mit Schienenverlängerungen (10‘, 10‘‘, 10‘‘‘) verlängerbar, um eine leitenden Verbindung mit der elektrischen Maschine herzustellen. Die Gates der IGBTs werden über eine Treiberschaltung angesteuert, die sich auf einer Treiberplatine (4) befindet.
Ferner verfügt die Leistungselektronikeinheit über eine Steuerplatine (5) mit einem zentralen Prozessor (CPU, central processing unit, 6). Die Steuerplatine weist Aussparungen auf, durch die die Phasenstromschienen geführt werden können. An den Aussparungen kann die Platine Abstandshalter zwischen der Leiterplatte und den durchgeführten Phasenstromschienen aufweisen.
Außerdem verfügt die Steuerplatine an den Aussparungen über Stromsensoren (7‘, 7‘‘, 7‘‘‘), die beispielsweise als Hallsensoren ausgebildet sein können. Die Hallsensoren weisen ebenfalls Durchführungen (8‘, 8‘‘, 8‘‘‘) auf, durch die die Phasenstromschienen geführt sind, um eine Strommessung nach dem Hall-Prinzip zu ermöglichen. Die Hallsensoren sind analoge Sensoren und ermitteln jeweils ein analoges Messsignal. Diese Messsignale werden jeweils über eine Leiterbahn oder ein kabelgebundene Leitung (9‘, 9‘‘, 9‘‘‘) an den zentralen Prozessor übermittelt.
Die räumliche Nähe der Stromsensoren für die Phasenstromschienen wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Qualität der Strommesssignale aus, da eine kurze Strecke für die Datenübermittlung ermöglicht ist. Außerdem sind die Leitungen für die Datenübermittelung ausschließlich im Bereich der Steuerplatine befindlich.
Im Vergleich zum Stand der Technik, nach dem die räumliche Distanz zwischen den analogen Stromsensoren und der CPU der Steuerplatine größer ist, ergibt sich eine bessere Schirmung der Leitungen für die Übermittlungen des analogen Messsignals. Die elektromagnetischen Störeinflüsse, die durch das Schalten der höhen Ströme des IGBTs bedingt sind und zu einer unerwünschten und kaum verifizierbaren Zeitverschiebung bzw. Phasenverschiebung der Messsignale führen, sind reduziert. Damit ist eine präzise Regelung der Phasenströme, d.h. der elektrischen Maschine, bei geringem Kosteneinsatz und geringem Bauraumbedarf des Wechselrichters möglich. Dies differenziert das Ausführungsbeispiel von dem Stand der Technik, nach dem die von den Stromsensoren gemessenen Signale am Ort der Strommessung prozessiert werden. Hier werden zusätzliche Leiterplatten für jeden Stromsensoren notwendig, die jeweils eine Funktionalität aufweisen, die an sich durch eine CPU bereitgestellt ist.
Außerdem besteht eine Differenzierung des Ausführungsbeispiels gegen den Stand der Technik, nach dem die von den Stromsensoren gemessenen Signale bevorzugt mithilfe von RC-Filtern zur Störkompensation prozessiert werden. Derartige Filter können bei dem in 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel entfallen oder mit weit geringerer Komplexität als nach dem Stand der Technik zum Einsatz kommen.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Anordnung nach den 1 und 2 ergibt, ist die kompakte Bauform des Wechselrichters. Sämtliche Leitungen können kurz und somit EMV-verträglich für die gesamte Anordnung gehalten werden. Dies betrifft nicht nur die Leitungen zur Datenübermittlung der Stromsensoren, sondern auch die Steuerleitungen der IGBTs zwischen der Treiberplatine und dem Leistungsmodul. Die IGBT-Steuersignale sind daher nahezu störungsfrei und mit wenig inhärenter Leitungsinduktivität applizierbar. Dies trägt zur schnellen und präzisen Ansteuerung der IGBTs bei und führt zusätzlich zur genaueren Regelbarkeit der Phasenströme. Der Fahrer des Fahrzeugs profitiert dann von einem besonders ruckelfreien und geschmeidigen Fahrerlebnis mit kurzen Ansprechverhalten der elektrischen Maschine. Die kompakte Bauweise spart also Materialeinsatz und Bauraum.
Nach einer weiteren Ausführungsform können die Bausteine der Treiberplatine auch auf einem Abschnitt der Steuerplatine integriert sein, so dass die zwischen dem Leistungsmodul und der Steuerplatine befindliche Treiberplatine entfallen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2004/0066643 [0004]

Claims

Fahrzeug mit einer Leistungselektronikeinheit zum Wandeln von Energie zwischen einem Gleichstromkreis und einer mehrphasigen Drehstrommaschine, wobei die Leistungselektronikeinheit ein Leistungsmodul, eine Treiberplatine und eine Steuerplatine umfasst, und die Leistungselektronikeinheit zwei Gleichstromschienen aufweist, an die der Gleichstromkreis anschließbar ist, und die Leistungselektronikeinheit Phasenstromschienen aufweist, an welche die mehrphasige Drehstrommaschine anschließbar ist, wobei die Anzahl der Phasenstromschienen der Anzahl der Phasen der mehrphasigen Drehstrommaschine entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass – das Leistungsmoduls, der Treiberplatine und der Steuerplatine zueinander in einem Sandwich-Aufbau angeordnet sind, – die Phasenstromschienen mit dem Leistungsmodul elektrisch verbindbar sind, – die Steuerplatine für jede Phasenstromschiene eine Durchführung aufweist, durch welche die jeweilige Phasenstromschiene durchführbar ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuerplatine an jeder Durchführung einen Stromsensor aufweist, – jeder Stromsensor den Strom in der jeweiligen Phasenstromschiene misst.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuerplatine einen zentralen Prozessor aufweist, – die Steuerplatine zwischen dem zentralen Prozessor und den Stromsensoren jeweils eine analoge Datenverbindung aufweist, – dass durch die Stromsensoren über die jeweilige Datenverbindung ein Strommesssignal an den zentralen Prozessor übermittelbar ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeug als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist.