DE102016218453A1

DE102016218453A1 - Elektrisches Wandlersystem

Info

Publication number: DE102016218453A1
Application number: DE102016218453.9A
Authority: DE
Inventors: Manuel Blum; Marek Galek; Martin Schulz; Julian Seidel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-03-29
Also published as: WO2018054621A1

Abstract

Elektrisches Wandlersystem, umfassend – einen ersten elektrischen Wandler mit DC-Zwischenkreis – einen zweiten elektrischen Wandler mit DC-Zwischenkreis, wobei – die DC-Zwischenkreise der Wandler über wenigstens eine Sammelschiene elektrisch verbunden sind, – wenigstens ein Abschnitt der Sammelschiene durch ein stranggepresstes Bauteil gebildet ist, – der Abschnitt der Sammelschiene durch die Strangpressung gebildete Kühlkanäle zur Führung eines Kühlmediums aufweist, und – Mittel vorhanden sind zum Führen eines Kühlmediums durch die Kühlkanäle im Abschnitt der Sammelschiene.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Wandlersystem mit einem ersten und zweiten elektrischen Wandler mit jeweiligem DC-Zwischenkreis, wobei die DC-Zwischenkreise über wenigstens eine Sammelschiene elektrisch verbunden sind.
Werden mehrere Umrichter oder andere elektrische Wandler mit jeweiligem Spannungszwischenkreis in einem System betrieben, beispielsweise einem Mehr-Motoren-Antrieb, dann werden diese im Allgemeinen DC-seitig miteinander verbunden, indem die Zwischenkreise der Umrichter parallelgeschaltet werden. Die Verschaltung wird niederohmig ausgelegt, sodass sie nicht aktiv gekühlt werden muss. Dies führt zu einem erheblichen Gewicht und hohen Kosten, besonders wenn die Umrichter räumlich weit verteilt sind. Neben der elektrischen Verbindung müssen flüssigkeitsgekühlte Umrichter und Maschinen auch hydraulisch mit dem Kühlungssystem verbunden werden.
Die elektrische Parallelschaltung erfolgt im Idealfall über eine induktionsarme Verschienung mit Kupfer oder Aluminiumblechen. Dabei werden Hin- und Rückleiter parallel mit geringem Abstand zueinander angeordnet (DC-Busbar, Sammelschiene). Diese Verschaltungsvariante minimiert ungewollte Wechselwirkungen zwischen den Umrichtern. Aufgrund des hohen Gewichts dieser Bleche oder Platten werden diese bei räumlich ausgedehnten Systemen durch eine leichtere Verschaltung mit Kabeln ersetzt. Dies führt im Allgemeinen zu einem stark erhöhten Aufwand an passiven Komponenten (Filter, größere Zwischenkreis-Kondensatoren der Umrichter), um Wechselwirkungen zwischen den Umrichtern zu minimieren. Die passiven Komponenten erhöhen das Gewicht und die Herstellungskosten. Der hydraulische Anschluss der Umrichter an das Kühlungssystem erfolgt in diesem Fall über Schläuche.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Wandlersystem anzugeben, bei dem räumlich verteilte Umrichter elektrisch verbunden sind bei reduziertem Gewicht und Herstellungskosten.
Diese Aufgabe wird durch ein Wandlersystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Wechselrichteranordnung.
Das erfindungsgemäße Wandlersystem umfasst einen ersten elektrischen Wandler mit DC-Zwischenkreis sowie einen zweiten elektrischen Wandler mit DC-Zwischenkreis. Die DC-Zwischenkreise der Wandler sind über wenigstens eine Sammelschiene elektrisch verbunden, wobei wenigstens ein Abschnitt der Sammelschiene durch ein stranggepresstes Bauteil gebildet ist. Der Abschnitt der Sammelschiene ist mit einer Flüssigkühlung versehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wandlersystems werden

– ein erster Wandler und ein zweiter Wandler mit einem jeweiligen DC-Zweischenkreis bereitgestellt,
– wenigstens ein Abschnitt für eine Sammelschiene per Strangpressung erstellt, wobei der Abschnitt Aluminium umfasst, insbesondere im Wesentlichen aus Aluminium besteht,
– die DC-Zwischenkreise mittels der Sammelschiene, die den Abschnitt umfasst, elektrisch verbunden und
– wenigstens für den Abschnitt der Sammelschiene eine Flüssigkühlung bereitgestellt.

Aus elektrotechnischer Sicht ist die Verschaltung der Wandler über eine niederinduktive DC-Sammelschiene vorteilhaft. Die Verwendung eines stranggepressten Abschnitts, der zweckmäßig im Wesentlichen die ganze DC-Sammelschiene ausmacht, aus Aluminium als Hauptbestandteil reduziert das Gewicht der Sammelschiene erheblich.
Die durch den erhöhten Widerstand des Abschnitts der Sammelschiene zusätzlich entstehenden Verlustleistungen sind dabei im Vergleich zu den Systemverlusten vernachlässigbar klein. Ein positiver Nebeneffekt des erhöhten Leitungswiderstands ist, dass der Abschnitt der Sammelschiene als dämpfendes Element in der Verschienung fungiert, wodurch Wechselwirkungen zwischen den parallel geschalteten Wandlern reduziert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Stromwandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

– Zweckmäßig ist es, wenn die Flüssigkühlung so ausgestaltet ist, dass das Gesamtgewicht von Kühlung und Sammelschiene geringer ist als das einer vergleichbaren Sammelschiene beispielsweise aus Kupfer, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
– Besonders vorteilhaft ist es, wenn das stranggepresste Bauteil Hohlräume aufweist, die zur Durchströmung mit einem Kühlmedium ausgestaltet sind. Es werden also mittels der Strangpressung schmale Aluminiumprofile erzeugt, die Kühlkanäle umfassen. Die Kühlkanäle werden im Betrieb direkt mit dielektrischem Fluid durchflossen. Die elektrische Verbindung in Form des Abschnitts der Sammelschiene fungiert dann also zusätzlich als hydraulische Verschaltung der einzelnen Komponenten des Wandlersystems mit dem Kühlsystem. Der Hin- und Rücklauf des dielektrischen Kühlmediums wird direkt mit den Aluminiumprofilen realisiert. Zusätzliche Schläuche für die hydraulische Verschaltung können dadurch entfallen, was einen kompakteren Aufbau ermöglicht.
– Das Wandlersystem kann ein weiteres stranggepresstes Bauteil aufweisen, wobei die stranggepressten Bauteile auf gegenüberliegenden Seiten eines elektrischen Isolators angeordnet sind. Hierdurch wird eine niederinduktive Verbindung geschaffen.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
1 ein Antriebs-System in einem elektrisch betriebenen Flugzeug mit mehreren Elektro-Motoren und Wechselrichtern,
2 einen Querschnitt durch eine Sammelschiene einer Verbindung von DC-Zwischenkreisen zweier Wechselrichter.
1 zeigt eine stark schematisierte Aufsicht auf ein elektrisch betriebenes Flugzeug 1. Das Flugzeug umfasst für den Antrieb zwei Propeller 8, die – möglicherweise zusätzlich zu einem herkömmlichen Antrieb – elektrisch betreibbar sind. Das Flugzeug umfasst dafür zwei Elektromotoren 6, 7, die mit den Propellern 8 verbunden sind und deren Antrieb bewirken können. Bei den Elektromotoren 6, 7 handelt es sich um dreiphasige Synchronmotoren. Alle Verbindungen in 1 sind nur als einfache Linien dargestellt, auch wenn sie beispielsweise als dreiphasige Verbindungen mit drei oder mehr individuellen Leitern oder Kabeln ausgestaltet sind.
In anderen Ausführungsformen können auch Asynchronmotoren zum Einsatz kommen.
Die Elektromotoren 6, 7 werden von je einem Wechselrichter 4, 5 angesteuert, der nahe dem zugeordneten Elektromotor 6, 7 angeordnet ist. Da die Propeller 8 im vorliegenden Beispiel an den Flügeln des Flugzeugs 1 angeordnet sind, sind auch die Elektromotoren 6, 7 dort angeordnet und ein erster der Wechselrichter 4 ist bei einem ersten der Elektromotoren 6 im ersten Flügel angeordnet, während der zweite Wechselrichter 5 beim zweiten Elektromotor 7 im zweiten Flügel angeordnet ist.
Bei den Wechselrichtern 4, 5 handelt es sich beispielsweise um übliche Zwei-Level-Wechselrichter.
Die Spannungsversorgung für die Elektromotoren 6, 7 kommt im vorliegenden Beispiel aus einer Batterie 2. Die Batterie 2 ist beispielhaft in 1 in einem der Flügel angeordnet, kann aber je nach Leistung auch verteilt auf beide Flügel angeordnet sein und größer als in 1 dargestellt. Die Spannung der Batterie 2 liegt im Bereich einiger 100 V und ist ladungsabhängig; beispielsweise kann sie sich zwischen voller Aufladung und weitgehender Entladung zwischen 600 V und 400 V bewegen. Um diese Schwankungen von den Elektromotoren 6, 7 fernzuhalten und einen idealen Betrieb bezüglich der Auslegung der Elektromotoren 6, 7 zu gewährleisten, ist die Batterie 2 mit einem Hochsetzsteller 3 verbunden, der die Gleichspannung der Batterie 2 auf einen festen Wert von beispielsweise 800 V (DC) transformiert.
Der Ausgang des Hochsetzstellers 3 ist schließlich mit den DC-Zwischenkreisen der Wechselrichter 4, 5 verbunden. Zur Verbindung der DC-Zwischenkreise der Wechselrichter 4, 5 untereinander und mit dem Hochsetzsteller 3 ist eine Sammelschiene (Busbar) 9 vorgesehen. Die Sammelschiene 9 ist in 1 als geradliniges einstückiges Element dargestellt, kann aber auch Krümmungen aufweisen.
2 zeigt einen Querschnitt durch die Sammelschiene 9. Die Sammelschiene 9 umfasst ein erstes Leiterelement 20. Das erste Leiterelement 20 ist im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen langgezogen quaderförmig mit einem flachen Querschnitt. Es besteht im Wesentlichen aus Aluminium, das aufgrund seiner im Vergleich zu Kupfer ca. dreifach geringeren Dichte bei etwa halber Leitfähigkeit einen deutlichen Gewichtsvorteil ermöglicht.
Das erste Leiterelement 20 ist durch Strangpressung aus Aluminium hergestellt. Die Strangpressung ist ein kostengünstiges Verfahren, um langgezogene metallische Gegenstände eines festliegenden Querschnitts zu erzeugen. Alternativ zu Aluminium als Material kann je nach Einsatzanforderungen auch Magnesium oder Kupfer als Ausgangsmaterial für die Strangpressung des Leiterelements 20 verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist, dass mittels der Strangpressung auch in unproblematischer Weise mehrere Kühlkanäle 23 im Leiterelement 20 erzeugt werden können. Die Kühlkanäle erlauben das Führen eines Kühlmediums wie Wasser oder Luft entlang des Leiterelements 20. Eine aktive Kühlung des Leiterelements 20 wiederum erlaubt es, höhere Verlustleistungen im Leiterelement 20 zuzulassen und erlaubt es daher, den leitenden Querschnitt des Leiterelements 20 zu verringern und somit, weiteres Material und weiteres Gewicht einzusparen. Für die Leitung des Kühlmediums an sich ist durch die Führung in den Kühlkanälen 23 im Bereich des Leiterelements 20 vorteilhaft keinerlei Zusatzaufwand und kein zusätzliches Gewicht erforderlich.
Das Leiterelement 20 ist für den Anschluss eines der Pole der DC-Zwischenkreisspannung gedacht und somit mit entsprechenden Kontaktstellen wie Schraubanschlüssen der Wechselrichter 4, 5 und dem Ausgang des Hochsetzstellers 3 verbunden. Für den zweiten Pol der Zwischenkreisspannung ist ein zweites Leiterelement 21 vorhanden, das analog zum ersten Leiterelement 20 aufgebaut und hergestellt ist. Das zweite Leiterelement 21 ist dementsprechend mit Kontaktstellen des weiten Pols an den Wechselrichtern 4, 5 und dem Hochsetzstellers 3 verbunden.
Das erste und zweite Leiterelement 20, 21 sind wiederum als gemeinsame Sammelschiene aufgebaut, indem sie auf den gegenüber liegenden Seiten eines flachen Isolationselements 22, beispielsweise aus Keramik oder einem Kunststoff angebracht sind. Durch das Isolationselement 22 und die Anordnung der Leiterelemente 20, 21 ergibt sich ein flacher, leichter und kompakter Aufbau der Sammelschiene 9, der besonders geeignet ist zur niederinduktiven Verbindung von DC-Zwischenkreisen von Stromrichtern bei geringem Gewicht.
An den Enden der Sammelschiene 9 ist zweckmäßig jeweils ein Aufbau zur Aus- oder Einleitung des Kühlmediums vorhanden, beispielsweise mit Schlauchverbindungen. Dabei ist es auch möglich, dass ein Ende der Sammelschiene 9 mit einem beispielsweise metallischen Umlenkelement verschlossen ist, das das Kühlmedium lediglich von einem Kühlkanal 23 für eine Flussrichtung in einen anderen Kühlkanal 23 für die andere Flussrichtung leitet. Dadurch kann die Ausleitung des Kühlmediums auf eine Seite der Sammelschiene 9 konzentriert werden.
Das Kühlmedium kann vorteilhaft neben der Sammelschiene 9 zusätzlich auch für andere Geräte mitverwendet werden. Beispielsweise können mit dem Kühlmedium auch die Wechselrichter 4, 5 und/oder die Elektromotoren 6, 7 mitgekühlt werden. Wo derartige Kühlungen ohnehin vorzusehen sind, stellt die Kühlung der Sammelschiene 9 also keinerlei Zusatzaufwand dar, sondern die Sammelschiene 9 stellt für das Kühlmedium vielmehr eine stabile und sichere Leitung zwischen den einzelnen Motoraufbauten dar.
In einem alternativen Aufbau zu dem in 1 gezeigten Aufbau kann auch an der Stelle der Batterie 2 die elektrische Energie durch ein Generatorsystem zur Verfügung gestellt werden. Die DC-Zwischenkreise wiederum können in analoger Weise durch die Sammelschiene 9 verbunden werden.

Claims

Elektrisches Wandlersystem, umfassend – einen ersten elektrischen Wandler (4) mit DC-Zwischenkreis – einen zweiten elektrischen Wandler (5) mit DC-Zwischenkreis, wobei – die DC-Zwischenkreise der Wandler (4, 5) über wenigstens eine Sammelschiene (9) elektrisch verbunden sind, – wenigstens ein Abschnitt der Sammelschiene (9) durch ein stranggepresstes Bauteil (20) gebildet ist, – der Abschnitt der Sammelschiene (9) durch die Strangpressung gebildete Kühlkanäle (23) zur Führung eines Kühlmediums aufweist, wobei Mittel vorhanden sind zum Führen eines Kühlmediums durch die Kühlkanäle (23).
Wandlersystem nach Anspruch 1, bei dem das Bauteil (20) Aluminium umfasst, insbesondere im Wesentlichen aus Aluminium besteht.
Wandlersystem nach Anspruch 1, bei dem das Bauteil (20) Magnesium oder Kupfer umfasst, insbesondere im Wesentlichen aus Magnesium oder Kupfer besteht.
Wandlersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kühlkanäle (23) mit Kühleinrichtungen der elektrischen Wandler (4, 5) verbunden sind und dadurch eine gemeinsame Kühlung gebildet ist.
Wandlersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Sammelschiene (9) ein weiteres stranggepresstes Bauteil (21) aufweist, wobei die Bauteile (20, 21) auf gegenüberliegenden Seiten eines elektrischen Isolators (22) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Wandlersystems, bei dem – ein erster Wandler (4) und ein zweiter Wandler (5) mit einem jeweiligen DC-Zweischenkreis bereitgestellt werden, – wenigstens ein Abschnitt für eine Sammelschiene (9) per Strangpressung erstellt wird, – die DC-Zwischenkreise mittels der Sammelschiene (9), die den Abschnitt umfasst, elektrisch verbunden werden, – in dem Abschnitt der Sammelschiene (9) durch die Strangpressung Kühlkanäle (23) zur Führung eines Kühlmediums gebildet werden, und – Mittel zum Führen eines Kühlmediums durch die Kühlkanäle (23) im Abschnitt der Sammelschiene (9) bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als Material für den Abschnitt der Sammelschiene (9) Aluminium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als Material für den Abschnitt der Sammelschiene (9) Magnesium oder Kupfer verwendet wird.