-
Technisches Gebiet:
-
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Leistungselektronikanordnung sowie eine Leistungselektronikanordnung mit einem genannten Gehäuse.
-
Stand der Technik:
-
Leistungselektronikanordnungen, insb. Leistungsendstufen zum Betreiben elektrischer Maschinen, welche beispielsweise zum Antrieb von Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen vorgesehen sind, haben Betriebsströme mit einer Stromstärke von über 100 A und Betriebsspannungen von über 400 V zu bewältigen.
-
Aufgrund der möglichen, bauteilbedingten spontanen rapiden Korrosionen im Inneren der Leistungselektronikanordnungen können aufgrund der hohen Betriebsströme bzw. Betriebsspannungen Lichtbögen oder elektrische Kurzschlüsse mit einer Stromstärke von bspw. 3000 A und einer Spannung von bspw. 500 V entstehen, wodurch Materialien der Leistungselektronikanordnungen oder die in den Gehäusen der Leistungselektronikanordnungen eingeschlossene Luft verdampft werden. Dieses Verdampfen führt oft zu einem schlagartigen Druckaufbau innerhalb der Gehäuse der Leistungselektronikanordnungen und kann im Extremfall die Gehäuse bzw. Dichtungen der Gehäuse unkontrolliert zerstören. Darüber hinaus können durch die defekten Gehäuse bzw. Dichtungen giftige bzw. entflammbare oder heiße Gase oder gar Flammen aus den Gehäusen austreten. Dies kann gefährlich für Menschen und für die Umgebung der Leistungselektronikanordnungen sein.
-
Eine Offenlegungsschrift
DE 10 2014 007 459 A1 beschreibt ein Gehäuse mit einem Gehäuseabschnitt in der Gehäusewand, der über eine Sollbruchstelle mit der Gehäusewand körperlich verbunden ist und bei Einwirkung eines Überdrucks im Gehäuseinnenraum entlang der Sollbruchstelle von der Gehäusewand herausfallbar ausgeführt ist.
-
Eine weitere Offenlegungsschrift
DE 102 45 755 A1 beschreibt einen elektrischen Kondensator mit einem Gehäuse, wobei in der Gehäusewand ein druckabhängiges Triebelement vorgesehen ist, das durch einen verformbaren Teil der Gehäusewand gebildet ist. An dem Triebelement sind Sollbruchstellen vorgesehen.
-
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die eingangs genannten Leistungselektronikanordnungen sicherer zu machen.
-
Beschreibung der Erfindung:
-
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gehäuse für eine Leistungselektronikanordnung, insb. für eine Leistungsendstufe zum Betreiben einer elektrischen Maschine, bereitgestellt.
-
Das Gehäuse umfasst eine Gehäusewand zum Umschließen eines Gehäuseinnenraumes des Gehäuses, welche einen Gehäuseabschnitt aufweist. Der Gehäuseabschnitt ist über mindestens eine Sollbruchstelle mit der genannten Gehäusewand körperlich verbunden und ausgeführt, bei Einwirkung eines Überdrucks im Gehäuseinnenraum entlang der Sollbruchstelle von der Gehäusewand herausfallbar ausgeführt.
-
Mit der Sollbruchstelle und dem entlang der Sollbruchstelle herausfallbar ausgeführten Gehäuseabschnitt kann das Gehäuse im Falle einer schlagartigen Drucksteigerung im Gehäuseinnenraum (bspw. infolge einer Gasentladung und damit gebundene Flammbildung) kontrolliert an der Sollbruchstelle aufgetrennt und somit geöffnet werden. Durch Herausfallen des Gehäuseabschnitts von der Gehäusewand entsteht eine Durchgangsöffnung an der Gehäusewand, durch welche das im Gehäuseinnenraum gebildete (ggfs. giftige) Gas kontrolliert aus dem Gehäuseinnenraum zu einem vorab dafür vorgesehenen (Auffangs-)Bereich der Umgebung des Gehäuses abgeführt werden kann. Durch das kontrollierte Abführen des Gases aus dem Gehäuseinnenraum wird auch der Überdruck im Gehäuseinnenraum kontrolliert abgesenkt. Hat sich im Gehäuseinnenraum eine Flamme ausgebildet, so kann diese über die Durchgangsöffnung in einer kontrollierten Ausbreitungsrichtung zu einem vorab dafür vorgesehenen feuerfesten Bereich der Umgebung des Gehäuses abgeführt und unschädlich gemacht werden.
-
Damit sind die Sicherheit des Gehäuses der Leistungselektronikanordnung und somit auch die der Leistungselektronikanordnung erhöht.
-
Vorzugsweise ist der Gehäuseabschnitt in Form von einem Pressdeckel ausgeführt, welcher über eine Pressverbindung mit dem Rest der Gehäusewand mechanisch verbunden ist, wobei die Pressverbindung die zuvor genannte Sollbruchstelle ausbildet.
-
Alternativ ist der Gehäuseabschnitt vorzugsweise mit der Gehäusewand einstückig ausgebildet.
-
Dabei ist die mindestens eine Sollbruchstelle vorzugsweise in Form von einer Perforation oder in Form von einer Vertiefung, insb. in Form von einer Nut oder einer Kerbe, ausgebildet.
-
Vorzugsweise weist der Gehäuseabschnitt mindestens eine Druckausgleichsöffnung auf, welche in Form von einem bis zu dem Gehäuseinnenraum reichenden Loch ausgebildet ist.
-
Dabei weist der Gehäuseabschnitt eine Isoliermembran auf, welche liquiddicht, insb. wasserdicht, und zugleich luftdurchlässig ausgeführt ist und die mindestens eine Druckausgleichsöffnung liquiddicht, insb. wasserdicht, abdichtet.
-
Die Gehäusewand umfasst vorzugsweise eine Flammwand, welche vom Gehäuseinnenraum in Richtung zu dem Gehäuseabschnitt betrachtet vor dem Gehäuseabschnitt angeordnet ist und eingerichtet ist, die im Gehäuseinnenraum gebildete Flamme zurückzuhalten bzw. zu kühlen und somit zu verhindern, dass die Flamme im Falle eines Herausfallens des Gehäuseabschnitts infolge eines Überdrucks im Gehäuseinnenraum aus dem Gehäuseinnenraum austritt.
-
Die Flammwand ist vorzugsweise aus der Gehäusewand in Richtung zum Gehäuseinnenraum vorstehend ausgeführt und ist vorzugsweise über eine Seitenwand mit der Gehäusewand körperlich verbunden.
-
Die Seitenwand weist vorzugsweise mindestens eine weitere Druckausgleichsöffnung auf, welche vom Gehäuseinnenraum in Richtung zu dem Gehäuseabschnitt betrachtet nicht mit der zumindest einen Druckausgleichsöffnung fluchtend angeordnet ist. Damit sind die mindestens eine weitere Druckausgleichsöffnung und die mindestens eine Druckausgleichsöffnung voneinander in der Richtung von dem Gehäuseinnenraum zu dem Gehäuseabschnitt voneinander versetzt angeordnet, so dass eine ungehinderte Ausbreitung des zuvor genannten Gases bzw. der zuvor genannten Flamme über die Druckausgleichsöffnungen unterbunden wird. Insb. wird die Flamme bei Durchtritt durch die mindestens eine weitere Druckausgleichsöffnung stark abgekühlt und breitet sich somit nicht außerhalb des Gehäuses aus (nach dem Prinzip eines Flammensiebs einer Sicherheitsgrubenlampe).
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.
-
Die Leistungselektronikanordnung umfasst ein zuvor beschriebenes Gehäuse sowie eine Leistungselektronikeinheit, welche im Gehäuseinnenraum des Gehäuses angeordnet ist. Dabei schützt das Gehäuse die Leistungselektronikeinheit vor Eindringen von Feuchtigkeit, insb. in Form von Wasser.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Gehäuses sind, soweit möglich, auf die oben genannte Leistungselektronikanordnung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Leistungselektronikanordnungen anzusehen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung:
-
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 in einer schematischen Seitenschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung mit einem Gehäuse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
-
2 in der schematischen Seitenschnittdarstellung der in 1 dargestellte Abschnitt der Leistungselektronikanordnung bei einem Überdruck im Gehäuseinnenraum infolge einer Gasentladung und einer dadurch entstandenen Flamme.
-
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung:
-
Die in 1 abgebildete Leistungselektronikanordnung LA umfasst ein Gehäuse GH, das einen Gehäuseinnenraum GI umschließt, sowie eine Leistungselektronikeinheit LE, die in dem Gehäuseinnenraum GI angeordnet ist.
-
Das Gehäuse GH umfasst eine Gehäusewand GW, welche eine bis zum Gehäuseinnenraum GI reichende Ausnehmung AN aufweist. In dieser Ausnehmung AN ist ein Gehäuseabschnitt angeordnet, welche in Form von einem Pressdeckel PD in die Ausnehmung AN eingepresst ist und somit über eine Pressverbindung mit der Gehäusewand GW mechanisch verbunden ist. Dabei bildet die Pressverbindung eine Sollbruchstelle SB, entlang derer der Pressdeckel PD im Falle eines schlagartigen Druckanstiegs (transiente Drücke von bspw. errechnet über 15 bar sind möglich) im Gehäuseinnenraum GI von der Gehäusewand GW herausfallbar ausgeführt ist.
-
Der Pressdeckel PD weist seinerseits eine bis zu dem Gehäuseinnenraum GI reichende Druckausgleichsöffnung DO1 auf, durch die im Falle eines langsamen Druckanstiegs im Gehäuseinnenraum GI Luft aus dem Gehäuseinnenraum GI entweichen kann.
-
Der Pressdeckel PD weist ferner eine Isolationsmembran IM auf, welche wasserdicht und zugleich luftdurchlässig ausgeführt ist und über die Druckausgleichsöffnung DO1 angeordnet ist und diese wasserdicht abdichtet. Die Isolationsmembran IM lässt Luft und Wasserdampf durch. Im Falle des langsamen Druckanstiegs im Gehäuseinnenraum GI können Luft und ggfs. auch Wasserdampf aus dem Gehäuseinnenraum GI durch die Isolationsmembran IM ungehindert entweichen. Dadurch wird der Druckanstieg im Gehäuseinnenraum GI ausgeglichen. Andererseits verhindert die Isolationsmembran IM, dass Feuchtigkeit, insb. Wasser, von der Umgebung des Gehäuses GH in den Gehäuseinnenraum GI eindringt.
-
Die Druckausgleichsöffnung DO1 und die Isolationsmembran IM sind zum einen durch einen geringen Durchmesser und zum anderen durch funktionell von außen ausgeführte Aufklebung der Isolationsmembran IM auf der Druckausgleichsöffnung DO1 nicht ausgelegt, schnellen Druckanstieg in dem Gehäuseinnenraum GI auszugleichen.
-
Das Gehäuse GH weist ferner eine Flammwand FW auf, welche von dem Pressdeckel PD von dem Gehäuseinnenraum GI in Richtung RI1 zu der Ausnehmung AN bzw. dem Pressdeckel PD betrachtet vor der Ausnehmung AN bzw. dem Pressdeckel PD angeordnet ist. Dabei ist die Flammwand FW aus der Gehäusewand GW in Richtung RI2 zum Gehäuseinnenraum GI vorstehend ausgeführt und über eine Seitenwand SW mit der Gehäusewand GW körperlich verbunden. Die Flammwand FW bildet eine Feuerbarriere, welche eine ungehinderte Ausbreitung einer im Gehäuseinnenraum GI entstanden Flamme durch die Ausnehmung AN (bspw. nach dem Herausfallen des Pressdeckels PD) unterbindet.
-
Die Seitenwand SW weist eine Vielzahl (bspw. 30) von weiteren Druckausgleichsöffnungen DO2, durch die im Falle des Überdrucks im Gehäuseinnenraum GI Luft aus dem Gehäuseinnenraum GI entweichen kann und somit der Überdruck im Gehäuseinnenraum GI kontrolliert reduziert werden kann.
-
Damit sind die weiteren Druckausgleichsöffnungen DO2 vom Gehäuseinnenraum GI in Richtung RI1 zu dem Gehäuseabschnitt PD betrachtet gegenüber der Druckausgleichsöffnung DO1 seitlich versetzt angeordnet.
-
Nach dem die Leistungselektronikanordnung LA bzw. das Gehäuse GH der Leistungselektronikanordnung LA anhand 1 detailliert beschrieben wurde, wird nachfolgend die Funktionsweise des Gehäuses GH nachfolgend anhand 2 näher beschrieben.
-
Beim Betrieb der Leistungselektronikanordnung LA entsteht in der Leistungselektronikeinheit LE aufgrund der Verlustleitung Abwärme, welche die im Gehäuseinnenraum GI eingeschlossene Luft langsam aufheizt. Dadurch steigt der Luftdruck im Gehäuseinnenraum GI. Die aufgeheizte Luft entweicht beim steigenden Luftdruck durch die Druckausgleichsöffnungen DO2 an der Seitenwand SW und die Druckausgleichsöffnung DO1 an dem Pressdeckel PD. Als Folge senkt sich der Luftdruck im Gehäuseinnenraum GI wieder ab. Die Isoliermembran IM auf der Druckausgleichsöffnung DO1 verhindert, dass Feuchtigkeit insb. Wasser in den Gehäuseinnenraum GI eindringt.
-
Entsteht infolge eines elektrischen Kurzschlusses oder eines Lichtbogens in der Leistungselektronikeinheit LE eine Flamme FF oder anderweitig stark expandierendes Gas in dem Gehäuseinnenraum GI, so erhöht sich der Luftdruck im Gehäuseinnenraum GI explosionsartig. In diesem Fall reicht die Druckausgleichsöffnungen DO1 an dem Pressdeckel PD nicht aus, um das unter Überdruck stehende Gas schnell zu aus dem Gehäuseinnenraum GI abzuführen und somit den Druck in dem Gehäuseinnenraum GI schnell zu reduzieren.
-
Steigt der Druck in dem Gehäuseinnenraum GI schlagartig und stark, so löst sich die Sollbruchstelle SB aus und dadurch reißt der Pressdeckel PD von der Gehäusewand GW ab und fällt aus der Ausnehmung AN heraus. Durch die Vielzahl von Druckausgleichsöffnung DO2 und die Ausnehmung AN kann nun die unter Überdruck stehende Luft aus dem Gehäuseinnenraum GI entweichen. Die Flamme FF bzw. das Gas, welches den Überdruck erzeugt, wird von der Flammwand FW in dem Gehäuseinnenraum GI zurückgehalten bzw. an der Flammwand FW stark abgekühlt.
