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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zwischenkreiskondensator für einen Stromrichter, einen Stromrichter und ein Fahrzeug. Die Erfindung kann insbesondere in der Luftfahrt verwendet werden.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Stromrichter sind thermisch für einen stationären Betrieb ausgelegt. Viele Anwendungen rufen die Nennleistung des Stromrichters jedoch nur kurzzeitig ab, bzw. überschreiten die Nennleitung nur kurzzeitig bei Überlastfällen.
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Die Leistung von Stromrichtern ist u.a. durch die zulässigen Temperaturbereich der aktiven und passiven Komponenten limitiert. Stromrichter sind dementsprechend ausgelegt. Eine begrenzende Komponente ist der sogenannte Zwischenkreiskondensator. Dieser wird nach dem Stand der Technik aus Folienwickeln hergestellt, dessen zulässige Temperaturen im Bereich von ca. 90 °C bis zu ca. 125 °C liegen. Gerade bei SiC-Umrichtern (mit sogenannten Wide Band Gap Halbleiterchips, mit zulässigen Sperrschichttemperaturen von aktuell bis zu 175°C), GaN-Chips und GaN-Umrichtern/Wechselrichtern ist die Temperaturbeständigkeit des Kondensators volumen- bzw. gewichtsbestimmend. Eine möglichst kompakte und leichte Inverterkonstruktion verlangt daher eine thermische Anbindung sowohl der Verbindung Modul zu Kondensator („Modul heizt Kondensator“) als auch des Kondensators an sich. Dies erfordert hohen konstruktiven und gewichtsintensiven Aufwand.
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Die Temperaturbeständigkeit des Kondensators wird aktuell einerseits durch Überdimensionierung der elektrischen Kapazität des Kondensators erreicht. Das hat die Nachteile eines erhöhten Gewichts, höherer Kosten und ein höherer Bedarf an Bauraum. Eine weiter Möglichkeit zur Erreichung der erforderten Temperaturbeständigkeit des Kondensators ist eine thermische Anbindung des Kondensators an einen Kühlkreislauf. Dies hat den Nachteil eines erhöhten Gewichts durch den damit verbundenen konstruktiven Aufwand.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lösung für eine verbesserte Entwärmung der Antriebseinheit eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs anzugeben.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, an den Zwischenkreiskondensator des Stromrichters des Antriebs eines Fahrzeugs einen Latentwärmespeicher anzuordnen.
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Die Erfindung beansprucht einen Zwischenkreiskondensator für einen Stromrichter, aufweisend mindestens zwei metallene Stromschienen, gekennzeichnet durch mindestens einen Latentwärmespeicher, wobei der Latentwärmespeicher derart an den Stromschienen angeordnet ist, dass der Latentwärmespeicher und die Stromschienen in einer thermischer Wirkverbindung stehen.
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Die Stromschienen können auch als Busbars, Stromsammelschienen, Verschienungen oder Leiter bezeichnet werden.
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Der Latentwärmespeicher kann auch als Phasenwechselspeicher bezeichnet werden. Es können mehrere Latentwärmespeicher an dem Zwischenkreiskondensator, zum Beispiel an allen Außenseiten des Zwischenkreiskondensators, angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführung sind die Stromschienen aus Kupfer gebildet.
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In einer weiteren Ausführung ist die thermische Wirkverbindung durch eine stoffschlüssige Verbindung und/ oder durch einen Pressverbund hergestellt. Das hat den Vorteil, dass eine hochwärmeleitfähige Anbindung hergestellt wird.
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In einer weiteren Ausführung wird die stoffschlüssige Verbindung durch Kleben und/ oder Löten hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass eine direkte Anbindung an die Stromschienen (z.B. Kupfer-Busbars) des Zwischenkreiskondensators hergestellt wird.
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In einer weiteren Ausführung ist der Latentwärmespeicher aus einer Matrix aus einem ersten Material und einem die Matrix füllendem zweiten Material gebildet. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung durch Weichlöten ist Metallisierung des Graphits notwendig.
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In einer weiteren Ausführung ist das erste Material Graphit, Kupfer, Aluminium oder Silber.
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Eine graphitbasierte Matrix hat den Vorteil aufgrund der geringen Dichte für Leichtbau geeignet zu sein. Die gute Wärmeleitfähigkeit des Graphits führt zu einem schnellen Aufwärmen/ Durchwärmen des gesamten Latentwärmespeichers und einer daraus folgenden hohen thermischen Kapazität bei minimalem Gewicht. Außerdem sind freiformbare 3D-Strukturen der graphitbasierten Matrix realisierbar. Das führt zu einer optimalen Ausnutzung des Zwischenkreiskondensatorvolumens.
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In einer weiteren Ausführung ist das zweite Material aus Paraffinen, Loten, Salzen oder einem Phase Change Material (PCM) gebildet.
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Das hat den Vorteil, dass die Schmelztemperatur (über 120° C für Lote und unter 120° C für Paraffine) des zweiten Materials knapp oberhalb der stationärer Einsatztemperatur und unterhalb der instationären Einsatztemperatur des Zwischenkreiskondensators liegt.
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Ein instationärer Einsatz ist beispielsweise der Ausfall eines Antriebs eines Fahrzeugs, wodurch von einem weiteren Antriebe weiteren Antrieben eine höhere Leistung gefordert ist. In diesem Fall bietet der Latentwärmespeicher den Vorteil einen Puffer zur Entwärmung der Zwischenkreiskondensatoren der auf höherer Leistung laufenden Antriebe/ Antriebe im instationären Betrieb bereitzustellen.
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Durch die Verwendung eines zweiten Materials, welches im Fehlerfall aufschmilzt und die Matrix aus dem ersten Material füllt, erhöht sich die thermische Kapazität des Latentwärmespeichers/ Wärmepuffers um die Schmelzenthalpie des zweiten Materials/ Füllmaterials und besitzt damit eine drastisch höhere Wärmekapazität als ein Vollkörper des gleichen Volumens, der rein aus einem Material gebildet ist. Der Zwischenkreiskondensator wärmt sich dadurch langsamer auf und ist für instationäre Betriebszustände robuster ausgelegt. Zudem ist ein negativer Einfluss auf den stationären thermischen Widerstand des Zwischenkreiskondensators zur Außenseite des Zwischenkreiskondensators nicht zu erwarten, da die thermische Leitfähigkeit des beschriebenen Latentwärmespeichers deutlich über der des Vergussmaterials des Zwischenkreiskondensators liegt.
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Für die meisten Anwendungen ist es ausreichend, die thermische Kapazität des Zwischenkreiskondensators zu erhöhen, um die erwähnten instationären Betriebszustände bedienen zu können, ohne eine definierte thermische Anbindung des Zwischenkreiskondensators aufgrund der anwendungsspezifischen Lastprofile konstruktiv umsetzen zu müssen. Zudem haben die Latentwärmespeicher den Vorteil, dass die elektrische Kapazität und damit das Gewicht des Zwischenkreiskondensators bei ausreichender thermischer Überlastfähigkeit verringert werden kann.
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In einer weiteren Ausführung weist das zweite Material eine Schmelzenthalphie von 170 bis 230 KJ/kg auf.
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Die Erfindung beansprucht außerdem einen Stromrichter mit einem erfindungsgemäßen Zwischenkreiskondensator.
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In einer weiteren Ausführung ist der Stromrichter ein Inverter. Als Inverter wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Aus einer Eingangsgleichspannung wird über einen Gleichspannungszwischenkreis und getaktete Halbleiter eine Ausgangswechselspannung erzeugt. Häufig sind Inverter als AC/AC-Umrichter oder DC/AC-Wechselrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechselspannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Ausgangswechselspannung erzeugt wird.
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Die Erfindung beansprucht außerdem ein Fahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb. Unter Fahrzeug wird jede Art von Fortbewegungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden.
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In einer weiteren Ausführung ist das Fahrzeug ein Luftfahrzeug. Ein Luftfahrzeug ist ein fliegendes Fahrzeug.
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In einer weiteren Ausführung weist das erfindungsgemäße Fahrzeug/ Luftfahrzeug einen durch den erfindungsgemäßen Stromrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller auf.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 einen Zwischenkreiskondensator,
- 2 Stromschienen eines Zwischenkreiskondensators,
- 3 Wärmeströme an einem Zwischenkreiskondensator in einer Seitenansicht,
- 4 Wärmeströme an einem Zwischenkreiskondensator in einer Stirnseitenansicht,
- 5 einen Zwischenkreiskondensator mit Latentwärmespeichern in einer Seitenansicht,
- 6 einen Zwischenkreiskondensator mit Latentwärmespeichern in einer Stirnseitenansicht,
- 7 einen Latentwärmespeicher und
- 8 ein Fahrzeug.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt einen Zwischenkreiskondensator 1 (beispielsweise eines NGSiC Inverters). Der Zwischenkreiskondensator 1 weist Batterieanschlüsse 8, Leistungsmodulanschlüsse 9, ein Kondensatorgehäuse 2 und eine Vergussmasse 3 auf. Die Vergussmasse 3 füllt das gesamte Volumen des Zwischenkreiskondensators 1 aus.
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2 zeigt eine Innenansicht eines Zwischenkreiskondensators 1 (beispielsweise eines NGSiC Inverters). Im Inneren des Zwischenkreiskondensators 1 sind Stromschienen 4 angeordnet. An den Stromschienen 4 sind die auch in 1 dargestellten Batterieanschlüsse 8 und Leistungsmodulanschlüsse 9 angeordnet. Die Stromschienen 4 können aus Kupfer gebildet sein.
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3 zeigt die Wärmeströme/ Hauptwärmestromrichtung 6 an einem Zwischenkreiskondensator 1 in einer Seitenansicht. Im Inneren des Zwischenkreiskondensators 1 sind Stromschienen 4 angeordnet. Im Innerraum des Zwischenkreiskondensators 1/ zwischen den Stromschienen 4 sind Kondensatorwickel 5 angeordnet. Axial durch die Kondensatorwickel 5 verläuft die Hauptwärmestromrichtung 6 der Verlustleistung Pv. Die Pfeile 7 zeigen die Anbindungsmöglichkeit 7 des Zwischenkreiskondensators 1 an einen Kühlkörper nach dem Stand der Technik.
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4 zeigt die Wärmeströme/ Hauptwärmestromrichtung 6 an einem Zwischenkreiskondensator 1 in einer Stirnseitenansicht. Die meiste Wärme entsteht an den Batterieanschlüssen 8 und den Leistungsmodulanschlüssen 9. Außerdem sind die Kondensatorwickel 5 dargestellt.
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5 zeigt einen erfindungsgemäßen Zwischenkreiskondensator 1 mit Latentwärmespeichern 10 in einer Seitenansicht. Außerdem sind die Batterieanschlüsse 8 dargestellt. Der Latentwärmespeicher 10 ist derart an den Stromschienen 4 angeordnet, dass der Latentwärmespeicher 10 und die Stromschienen 4 in einer thermischer Wirkverbindung stehen. Die thermische Wirkverbindung kann durch eine stoffschlüssige Verbindung und/ oder durch einen Pressverbund hergestellt sein. Die stoffschlüssige Verbindung kann durch Kleben und/ oder Löten hergestellt sein.
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6 zeigt einen erfindungsgemäßen Zwischenkreiskondensator 1 mit Latentwärmespeichern 10 in einer Stirnseitenansicht. Außerdem sind die Batterieanschlüsse 8 und Leistungsmodulanschlüsse 9 dargestellt.
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7 zeigt einen erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher 10. Der Latentwärmespeicher 10 kann aus einer Matrix aus einem ersten Material 11 und einem die Matrix 11 füllendem zweiten Material 12 gebildet sein.
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Das erste Material 11 kann beispielsweise Graphit, Kupfer, Aluminium oder Silber sein. Das zweite Material 12 kann beispielsweise aus Paraffinen, Loten, Salzen oder einem Phase Change Material (PCM) gebildet sein. Eine graphitbasierte Matrix 11 hat den Vorteil aufgrund der geringen Dichte für Leichtbau geeignet zu sein. Die gute Wärmeleitfähigkeit des Graphits führt zu einem schnellen Aufwärmen/ Durchwärmen des gesamten Latentwärmespeichers und einer daraus folgenden hohen thermischen Kapazität bei minimalem Gewicht. Außerdem sind freiformbare 3D-Strukturen der graphitbasierten Matrix 11 realisierbar. Das führt zu einer optimalen Ausnutzung des Kondensatorvolumens.
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Die Schmelztemperatur des zweiten Materials 12 kann knapp oberhalb der stationärer Einsatztemperatur und unterhalb der instationären Einsatztemperatur des Zwischenkreiskondensators 1 liegt. Ein instationärer Einsatz ist beispielsweise der Ausfall eines Antriebs eines Fahrzeugs, wodurch von einem weiteren Antrieb/ weiteren Antrieben eine höhere Leistung gefordert ist. In diesem Fall bietet der Latentwärmespeicher 10 den Vorteil einen Puffer zur Entwärmung der Zwischenkreiskondensatoren 1 der auf höherer Leistung laufenden Antriebe/ Antriebe im instationären Betrieb bereitzustellen.
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Durch die Verwendung eines zweiten Materials 12, welches im Fehlerfall aufschmilzt und die Matrix aus dem ersten Material 11 füllt, erhöht sich die thermische Kapazität des Latentwärmespeichers/ Wärmepuffers um die Schmelzenthalpie des zweiten Materials 12/ Füllmaterials 12 und besitzt damit eine drastisch höhere Wärmekapazität als ein Vollmaterial des gleichen Volumens, der rein aus einem Material gebildet ist. Der Zwischenkreiskondensator 1 wärmt sich dadurch langsamer auf und ist für instationäre Betriebszustände robuster ausgelegt. Zudem ist ein negativer Einfluss auf den stationären thermischen Widerstand des Zwischenkreiskondensators 1 zur Außenseite des Zwischenkreiskondensators nicht zu erwarten, da die thermische Leitfähigkeit des beschriebenen Latentwärmespeichers deutlich über der des Vergussmaterials 3 des Zwischenkreiskondensators 1 liegt.
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Für die meisten Anwendungen ist es ausreichend, die thermische Kapazität des Zwischenkreiskondensators 1 zu erhöhen, um die erwähnten instationären Betriebszustände bedienen zu können, ohne eine definierte thermische Anbindung des Zwischenkreiskondensators 1 aufgrund der anwendungsspezifischen Lastprofile konstruktiv umsetzen zu müssen. Zudem haben die Latentwärmespeicher 10 den Vorteil, dass die elektrische Kapazität und damit das Gewicht des Zwischenkreiskondensators 1 bei ausreichender thermischer Überlastfähigkeit verringert werden kann.
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8 zeigt ein Fahrzeug 14. Das Fahrzeug 14 kann ein Luftfahrzeug sein. Unter Fahrzeug 14 wird jede Art von Fortbewegungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden.
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Das Fahrzeug 14 kann einen Stromrichter 13, beispielsweise einen Inverter aufweisen. Als Inverter wird ein Stromrichter 13 bezeichnet, der aus einer Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Aus einer Eingangsgleichspannung wird über einen Gleichspannungszwischenkreis und getaktete Halbleiter eine Ausgangswechselspannung erzeugt. Häufig sind Inverter als AC/AC-Umrichter oder DC/AC-Wechselrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechselspannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Ausgangswechselspannung erzeugt wird.
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Der Stromrichter 13 kann einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb/ Elektromotor oder hybridelektrischen Motor mit elektrischer Energie versorgen, wodurch ein Propeller eines Luftfahrzeuges angetrieben werden kann. Der Stromrichter 13 kann einen erfindungsgemäßen Zwischenkreiskondensator 1 aufweisen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zwischenkreiskondensator
- 2
- Kondensatorgehäuse
- 3
- Vergussmasse
- 4
- Stromschiene
- 5
- Kondensatorwickel
- 6
- Hauptwärmestromrichtung
- 7
- Anbindungsmöglichkeit an Kühlkörper nach Stand der Technik
- 8
- Batterieanschlüsse
- 9
- Leistungsmodulanschlüsse
- 10
- Latentwärmespeicher
- 11
- Matrix aus einem ersten Material
- 12
- Matrixfüllendes zweites Material
- 13
- Stromrichter
- 14
- Fahrzeug
- Pv
- Verlustleistung
