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Die Erfindung betrifft eine Antriebselektronik für einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen Antrieb eines Kühlgebläse oder einer Pumpe in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Es sind bereits Antriebselektroniken für elektrische Antriebe bekannt. Auch ist bekannt, dass die Antriebselektroniken einen Kondensator und eine Antriebsansteuerschaltung aufweisen. Ferner ist bekannt, dass der Kondensator eine Parallelschaltung mit der Antriebsansteuerschaltung bildet.
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Bekannte Antriebselektroniken weisen bedrahtete Kondensatoren auf, die jedoch viel Platz benötigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebselektronik bereitzustellen, die bei einem gleichbleibenden Leistungsbereich einen geringeren Platzbedarf als bekannte Antriebselektroniken aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Antriebselektronik gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhaft ist, dass eine Antriebselektronik mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1, eine gegenüber bekannten Antriebselektroniken geringeren Platzbedarf bei einem zumindest gleichbleibenden Leistungsbereich aufweist. Somit ist es möglich, dass eine erfindungsgemäße Antriebselektronik bei geringerem Platzbedarf eine bekannte Antriebselektronik ersetzt. Ferner ist die Herstellung der Antriebselektronik vereinfacht.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Kondensator ein Polymer-Elektrolytkondensator ist. Polymer-Elektrolytkondensatoren weisen bei gleichem Innenwiderstand gegenüber andere Kondensatoren einen deutlich geringeren Platzbedarf auf. Vorteilhaft ist, dass ein geringerer Platzbedarf bei gleichem Innenwiderstand erreicht wird.
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Vorteilhaft ist, dass der Kondensator ein Hybrid-Polymer-Elektrolytkondensator ist. Hybrid-Polymer-Elektrolytkondensatoren weisen bei gleichem Innenwiderstand gegenüber andere Kondensatoren einen deutlich geringeren Platzbedarf auf. Vorteilhaft ist, dass ein geringerer Platzbedarf bei gleichem Innenwiderstand erreicht wird. Ferner ist vorteilhaft, dass Hybrid-Polymer- Elektrolytkondensator einen niedrigeren ESR Wert und niedrige Restströme aufweisen.
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Vorteilhaft ist, dass der Kühlkörper Teil eines Gehäuses ist, in dem die Antriebselektronik zumindest teilweise angeordnet ist. Hierdurch werden keine separaten Bauteile, die einen Kühlkörper bilden, benötigt. Auch stellt das Gehäuse eine große Oberfläche, die zur Abfuhr der Verlustleistung des Kondensators verwendet werden kann, zur Verfügung. Ferner ist eine vereinfachte Montage, durch die geringere Anzahl an Bauelementen gegeben.
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Als vorteilhaft ist anzusehen, dass sich zwischen dem Kühlkörper und dem Kondensator Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist. Vorteilhaft handelt sich bei dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit um thermal interface material. Das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, ermöglicht auf einfache Weise eine Überbrückung eines Spalts zwischen dem Kondensator und dem Kühlkörper.
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Vorteilhaft ist, dass die Antriebsansteuerschaltung mindestens einen elektrischen Schalter zu Ansteuerung des elektrischen Antriebs aufweist. Durch den elektrischen Schalter wird zumindest eine Spule zeitlich versetzt angesteuert, um ein Drehfeld entstehen zu lassen, welches ein Drehmoment an einem permanent erregten Rotor des Antriebs verursacht.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 ein stark vereinfachtes Schaltbild der Antriebselektronik,
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2 eine Schnittansicht durch einen Kondensator einer erfindungsgemäßen Antriebselektronik und
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3 eine weitere Schnittansicht durch einen Kondensator einer erfindungsgemäßen Antriebselektronik.
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In 1 ist das Schaltbild einer Antriebselektronik 1 dargestellt. Die Antriebselektronik 1 weist einen Kondensator 10 und eine Antriebsansteuerschaltung 15 auf. Der Kondensator 10 und die Antriebsansteuerschaltung 15 sind zueinander elektrisch parallel geschaltet.
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Die Antriebsansteuerschaltung 15 ist mit einem elektrischen Antrieb 20 verbunden. Beispielhaft ist der elektrische Antrieb 20 als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet. Der bürstenlose Gleichstrommotor weist einen Rotor mit Permanentmagneten und einen Stator mit Spulen 22a, 22b, 22c. Der Rotor ist nicht eingezeichnet. Die Spulen 22a, 22b, 22c werden von der Antriebansteuerschaltung 15 zeitlich versetzt angesteuert, um ein Drehfeld entstehen zu lassen, welches ein Drehmoment am Rotor erzeugt. Beispielsweise weist der Antrieb 20 in 1 drei Phasen, wobei jede Phase mindestens eine Spule aufweist, auf.
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Gemäß Weiterbildungen der Erfindung kann der Antrieb 20 auch als Einphasen-, Zweiphasen- oder Mehrphasensystem ausgebildet sein.
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Die Kommutierung, also die zeitlich versetzte Ansteuerung der Spulen 22, um ein Drehfeld entstehen zu lassen, erfolgt mittels elektrischen Schaltern 17 der Antriebsansteuerschaltung 15. In 1 ist beispielhaft eine Antriebsansteuerschaltung 15 mit einer B6-Brücke dargestellt. Die B6 Brücke umfasst mindestens sechs elektrische Schalter 17, wobei immer zwei elektrische Schalter 17 zueinander in Reihe geschaltet sind. Die zwei zueinander in Reihe geschalteten elektrischen Schalter sind parallel zu weiteren zueinander in Reihe geschalteten elektrischen Schaltung geschaltet. Jedes elektrische Schalterpaar ist einer Phase des Antriebs 20 zugeordnet, bzw. elektrisch mit dieser Verbunden. Die Spulen 22 des Antriebs 20 sind dreieckig miteinander verschaltet.
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Gemäß einer Weiterbildung ist eine sternförmige Verschaltung der Spulen 22 des Antriebs 20 möglich.
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Die Antriebselektronik 1 weist ferner mindestens zwei Anschlüsse 3a, 3b auf. Die Anschlüsse 3a, 3b ermöglichen die Herstellung einer elektrischen Verbindung mit einer Energiequelle 30. In 1 ist die Antriebselektronik 1 mit der Energiequelle 30 verbunden. Die Energiequelle 30 ist hierbei als Batterie ausgeführt. Insbesondere weist die Batterie beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug eine Gleichspannung von 12V, 24V oder 48V auf.
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Nach Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen der Energiequelle 30 und der Antriebselektronik 1 sind der Kondensator 10 und die Energiequelle 30 elektrisch parallel geschaltet. Ferner ist die Energiequelle 30 elektrisch parallel zu der Antriebsansteuerschaltung 15 geschaltet.
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Die Antriebsansteuerschaltung 15 wandelt zusammen mit den Spulen 22 des Antriebs 20 die von der Energiequelle 30 zur Verfügung gestellte Wechsel- oder Gleichspannung, insbesondere Gleichspannung bei einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, in eine im wesentlichen sinusförmigen Spannungsverlauf um. Bei einer Ausbildung des elektrischen Antriebs 20 mit drei Phasen werden von der Antriebsteuerschaltung 15 drei sinusförmige Spannungsverläufe erzeugt, die eine Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Bei einer symmetrischen Ausbildung des Antriebs 20 beträgt die Phasenverschiebung 120°.
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Vorzugsweise erfolgt die elektrische Ansteuerung der elektrischen Schalter 17 der Antriebsansteuerschaltung 15 mittels mindestens einem pulsweitenmodulierten Ansteuerungssignal. Vorzugsweise wird jeder Schalter 17 mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal angesteuert. Durch die pulsweitenmodulierte Ansteuerung kann die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Antriebs 20 reguliert werden.
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Die Spulen 22 des Antriebs 20 sind Induktivitäten. Abhängig von der Ansteuerung durch die Antriebssteuerschaltung 15, der Position des Rotors, der Drehgeschwindigkeit und weiteren Faktoren nehmen die Spulen 22 Strom auf oder geben Strom ab. Die hierbei entstehenden Stromschwankungen, bzw. Spannungsschwankungen belasten die Antriebselektronik 1, bzw. die weiteren Bauteile der Antriebselektronik 1, die Energiequelle 30 sowie die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen der Antriebselektronik 1 und der Energiequelle 30.
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Der Kondensator 10 bildet ein Pufferelement, welcher positive Ströme, die beim Schalten von den Spulen 22 abgegeben werden, aufnimmt und Ströme, die von den Spulen 22 aufgenommen werden, abgibt. Der Kondensator 10 verhindert somit, dass die positiven und negativen Stromschwankungen bei der Energiequelle 30 ankommen und diese eventuell negativ beeinflussen. Ferner wird durch die Pufferung der Ströme eine übermäßige Belastung der Bauteile der Antriebselektronik 1 verhindert.
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Der Kondensator 10 weist einen Innenwiderstand auf. Der Innenwiderstand führt bei einem Stromfluss zur Erzeugung einer Verlustleistung. Der Innenwiderstand sollte daher so klein wie möglich sein. Bisherige bei Antriebselektronik eingesetzte gedrahtete Kondensatoren, insbesondere Elektrolytkondensatoren weisen einen Innenwiderstand von 20 Milliohm und einen Durchmesser von 18 mm bei 25 mm Höhe auf. Bei dieser Größe konnte die entstehende Verlustleistung über die Oberfläche der Kondensatoren abgeführt werden. Bei Antriebselektroniken 1 für Antriebe 20 mit größerem Leistungsbereich wurden zwei, drei oder mehr Kondensatoren 10 parallel zueinander auf der Antriebselektronik angeordnet. Damit eine ausreichende Abfuhr der Verlustleistung von den Kondensatoren 10 erfolgen konnte, musste ein Abstand zwischen den Kondensatoren eingehalten werden. Dies alles führte zur Ausbildung von Antriebselektronik 1 mit hohem Platzbedarf.
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Eine erfindungsgemäße Antriebssteuerung 1 mit einem Kondensator 10 als SMD (surface-mount device) Bauteil ermöglicht eine Verringerung des Platzbedarfs durch die Kondensatoren 10 auf der Antriebselektronik 1. Der Kondensator 10 weist erfindungsgemäß eine SMD Bauform auf. Der SMD Kondensator 10 weist im Gegensatz zu bedrahteten Kondensatoren 10 keine Drahtanschlüsse auf. Eine elektrische und mechanische Verbindung wird mittels lötfähigen Anschlussflächen 7 an denen der Kondensator 10 direkt auf eine Leiterplatte 5 bzw. die Antriebselektronik 1 gelötet wird. Die Montage eines Kondensators 10, der eine SMD Bauform aufweist, erfolgt mittels Oberflächenmontage.
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Die Verwendung eines oder mehrere Kondensatoren 10, die eine SMD Bauform aufweisen, führt zu einer Verringerung des Platzbedarfs auf der Antriebselektronik 1.
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Eine Weiterbildung der Erfindung wird erreicht durch den Einsatz von Polymer- Elektrolytkondensatoren. Polymer-Elektrolytkondensatoren beinhalten einen festen Elektrolyten aus einem festen hochleitfähigen Polymer. Polymer- Elektrolytkondensatoren weisen beispielsweise eine zylinderförmige Form mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 10 mm und einen Innenwiderstand von 20 Milliohm auf. Der Innenwiderstand entspricht somit den Innenwiderstand der deutlich größeren bisher bei Antriebselektroniken bekannten bedrahteten Kondensatoren, insbesondere Elektrolytkondensatoren. Bei vergleichbarer Baugröße weisen bekannte bedrahtete Kondensatoren den zirka 10 fachen Innenwiderstand auf.
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Eine Weiterbildung der Erfindung wird erreicht durch den Einsatz von Hybrid- Polymerelektrolytkondensatoren. Hybrid-Polymerelektrolytkondensatoren beinhalten einen festen Polymer-Elektrolyten als auch einen flüssigen Elektrolyten. Vorteilhaft ist, dass Hybrid-Polymer-Elektrolytkondensatoren einen niedrigen ESR-Wert und niedrige Restströme aufweisen, sowie Unempfindlichkeit gegenüber Transienten sind.
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Gemäß einer Weiterbildung kann der Kondensator 10 auch eine quaderförmige SMD Bauform aufweisen.
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Aufgrund der kleineren Abmessungen und damit der geringeren Oberfläche der SMD Kondensatoren 10 sind die Kondensatoren 10 thermisch mit einem Kühlkörper 40 verbunden. Der Kühlkörper 40 wird vorzugsweise durch das Gehäuse, welches zumindest teilweise die Antriebselektronik 1 umschließt, gebildet.
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In 2 ist eine Schnittansicht durch einen Kondensator 10 einer erfindungsgemäßen Antriebselektronik 1 dargestellt. Auf einer Leiterplatte 5 der Antriebselektronik 1 ist ein Kondensator 10 verlötet. Der Kondensator 10 weist hierzu eine lötfähige Anschlussfläche 7 auf. Der Kondensator 10 ist mittels der lötfähigen Anschlussfläche 7 mit der Leiterplatte 5 verlötet. Zur Abfuhr der Verlustleistung die insbesondere durch Spannungsschwankungen bei dem Betrieb des Antriebs 20 entstehen, wirkt der Kondensator 10 mit dem Kühlkörper 40 zusammen.
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Der Kühlkörper 40 weist hierzu eine Ausnehmung auf, in die der Kondensator bei der Montage eingeführt werden kann. Die Ausnehmung des Kühlkörpers 10 ist minimal größer als der Kondensator 10. Aufgrund von Montagetoleranzen besteht jedoch ein Spalt 42 zwischen dem Kühlkörper 40 und der Oberfläche des Kondensators 10. Der Spalt 42 wird mit einem Material 44 mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt. Beispielsweise wird der Spalt 42 mit einem thermal interface material 44, insbesondere Wärmeleitpaste, Wärmeleitpads oder Wärmeleitklebstoff ausgefüllt. Das Material 44 mit hoher Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine Abfuhr der Wärme von dem Kondensator 10. Die entstehende Verlustleistung kann somit von dem Kondensator abgeführt werden.
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Ferner erfolgt eine Abfuhr der Wärme über die Anschlussfläche 7 an die Leiterplatte 5.
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In 3 ist eine Schnittansicht durch einen Kondensator 10 dargestellt. Die Verbindung des Kondensators 10 mit der Leiterplatte 5 ist gleich wie in 2. Der Kühlkörper 40 weist, insbesondere im Bereich der thermischen Anbindung des Kondensators 10, eine ebene, insbesondere planare, Fläche auf. Die ebene Fläche ist möglichst direkt mit der Oberfläche des Kondensators 10, bzw. der Seite des Kondensators 10, die dem Kühlkörper zugerichtet ist, verbunden. Der aufgrund von Montagetoleranzen auftretende Spalt 42 zwischen dem Kühlkörper 40 und dem Kondensator 10 ist mit dem Material mit einem hohen Wärmeleitwert aufgefüllt. Beispielsweise wird der Spalt 42 mit einem thermal interface material 44, insbesondere Wärmeleitpaste, Wärmeleitpads oder Wärmeleitklebstoff ausgefüllt. Das Material 44 mit hoher Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine Abfuhr der Wärme von dem Kondensator 10 zum Kühlkörper 40. Die in dem Kondensator 10 entstehende Verlustleistung kann somit von dem Kondensator 10 mittels des Kühlkörpers 40 abgeführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind der Kondensator 10 und der Kühlkörper 40 direkt miteinander verbunden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Kühlkörper 40 von einem Gehäuse gebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebselektronik 1 ein Gehäuse auf bzw. ist in zumindest teilweise in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse bildet einen Schutz der Ansteuerelektronik 1 gegenüber Umwelteinflüssen. Gleichzeitig kann das Gehäuse den Kühlkörper 40 bilden in dem es die Wärme, welche durch die Verlustleistung erzeugt wird von dem Kondensator 10 weg führt. Das Gehäuse kann hierzu eine entsprechende Oberfläche aufweisen, die wiederum eine optimale Abgabe der Wärme an die Umgebungsluft zur Folge hat.
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Das Gehäuse kann hierzu insbesondere Rippen an seinem Außenumfang aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist die Antriebselektronik 1 nicht auf einen einzigen Kondensator 10 beschränkt. Vielmehr können mehrere Kondensatoren 10, insbesondere auf SMD Basis, elektrisch parallel zueinander angeordnet sein. Die Kondensatoren 10 können hierbei mittels eines gemeinsamen oder einer Vielzahl separater Kühlkörper 40 gekühlt werden.
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Ferner kann das Gehäuse den Kühlkörper 40 bilden. Hierbei wird jeder Kondensator 10 in eine Ausnehmung des Kühlkörpers 40 eingeführt und/oder der Kühlkörper 40 weist eine ebene Fläche die möglichst direkt mit der Oberfläche des Kondensators 10, bzw. der Kondensatoren 10 verbunden ist auf. Der aufgrund von Montagetoleranzen auftretende Spalt zwischen 42 dem Kühlkörper 40 und dem Kondensator 40 ist mit dem Material mit einem hohen Wärmeleitwert aufgefüllt.
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Gemäß einer Weiterbildung wird der Kühlkörper 40 auch zur Kühlung der elektrischen Schalter 17 der Antriebsansteuerschaltung 15 verwendet. Ferner ist vorzugsweise der Kühlkörper 40 durch das Gehäuse gebildet.
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Vorzugsweise ist die Oberfläche des Kondensators 10, die nicht zur Anschlussfläche 7 zählt, mit dem Kühlkörper 40 thermisch verbunden.
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Insbesondere ist die der Leiterplatte 5 abgewandten Oberfläche des Kondensators 10 mit dem Kühlkörper 40 direkt oder über das Material 44 mit hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden. Hierdurch sind keine Ausnehmungen 42 an dem Kühlkörper 40 notwendig.
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Die mittels der Antriebselektronik 40 angesteuerten elektrischen Antriebe 20 können als Pumpen, insbesondere Kühlflüssigkeitspumpen, Gebläse zur Kühlung von Kraftfahrzeugmotoren und/oder Gebläse zur Innenraumbelüftung eins Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Der elektrische Antrieb 20 kann somit Teil einer Pumpe, eines Gebläse zur Kühlung von Kraftfahrzeugmotoren und/oder eines Gebläse zur Innenraumbelüftung sein. Der Antrieb 20 kann somit beispielsweise zum Antreiben eines Pumpenrotors oder eines Lüfterrads eingesetzt werden.
