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Die Erfindung betrifft einen Stromrichter für einen zumindest teilweise elektrischen Fahrzeugantrieb nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
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Aus
DE 10 2009 058 270 A1 ist es bekannt, dass eine Gehäuseteil aus einem Verbundwerkstoff mit Kohlefasern ausgeformt sein kann. Dabei wird dann dieses Material mit einem elektrisch leitfähigen Überzug versehen bspw. mit einem galvanisch abgeschiedenen Metall.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter für einen zumindest teilweise elektrischen Fahrzeugantrieb hat demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr der Werkstoff ein Kunststoff ist. Kunststoff ist einfach herzustellender Werkstoff, der dann mit der Kohlefaser entsprechend verstärkt werden kann. Damit werden die Vorteile von Kunststoffen wie geringes Gewicht, günstige Herstellung, elektrisch isolierend genutzt.
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Es wird demnach ein Stromrichter für einen zumindest teilweise elektrischen Fahrzeugantrieb vorgeschlagen, wobei der Stromrichter ein Gehäuse aufweist, dass einen Werkstoff mit Kohlefasern aufweist, wobei der Werkstoff mit einem elektrisch leitfähigen Überzug versehen ist. Der Werkstoff ist ein Kunststoff. Als solch ein Kunststoff können verschiedene Polymere verwendet werden.
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Unter einem Stromrichter ist ein Gerät zu verstehen, dass im Falle eines Wechselrichters einen Gleichstrom in einen Wechselstrom wandelt oder einen Wechselstrom in einen Gleichstrom oder einen ersten Gleichstrom in einen zweiten Gleichstrom wandelt. Dafür sind verschiedene Topologien der Schaltung bekannt, die entsprechend genutzt werden können. Insbesondere können auch Stromrichter mit einer galvanischen Entkopplung verwendet werden.
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Unter einem zumindest teilweise elektrischen Fahrzeugantrieb ist ein reiner Elektroantrieb, ein Elektroantrieb für ein Nebenaggregat eines Fahrzeugs oder auch ein sogenannter Hybridantrieb zu verstehen, bei dem also auch noch eine Verbrennungsmaschine vorgesehen ist. Bei elektrischem oder Hybridantrieb ist auch jeweils eine Batterie vorgesehen. Beim Hybridantrieb ist es dann noch möglich, aus der Verbrennungskraftmaschine elektrische Energie über einen generatorisch betriebenen Elektromotor zu erzeugen.
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Der Stromrichter ist in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse Teil des Stromrichters selbst ist. Dieses Gehäuse dient zum Aufbau des Stromrichters und schützt ihn vor äußeren Einflüssen. Darüber hinaus werden auch durch das Gehäuse insbesondere elektromagnetische Strahlung aber auch eine elektrische Isolation hergestellt. Bei Stromrichtern ist üblicherweise auch noch eine Kühlung vorgesehen für das sogenannte Leistungsmodul, in dem die Halbleiterschalter vorgesehen sind, die bspw. aus dem Gleichstrom durch schnelles Schalten einen Wechselstrom erzeugen. Solch eine Kühlung kann insbesondere auch eine Wasserkühlung oder eine Luftkühlung also mithin eine Fluidkühlung sein.
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Dieser Werkstoff ist weiterhin mit einem elektrisch leitfähigen Überzug versehen. Dies ist notwendig, um eine elektromagnetische Abschirmung von im Stromrichter erzeugter elektromagnetischer Strahlung zu erreichen und auch um äußere elektromagnetische Strahlung von dem Inneren des Stromrichters zu schützen.
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Bei den Kohlefasern handelt es sich um industriell gefertigte Fasern aus kohlestoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die durch an den Rohstoff angepasste chemische Reaktion in grafitartig angeordnete Kunststoffe umgewandelt werden. Sie dienen insbesondere als Versteifungskomponente für den Leichtbau wie vorliegend vorgesehen.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Stromrichters angegeben.
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Es ist vorgesehen, dass der Überzug ein Lack auf Rußbasis aufweist. Ein Lack ist ein flüssiger oder auch pulverförmiger Beschichtungsstoff, der dünn auf Gegenstände aufgetragen wird und durch chemische oder physikalische Vorgänge zu einem durchgängigen festen Film aufgebaut wird. Vorliegend wird ein Lack auf Rußbasis vorgeschlagen, da ein solcher Lack eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, wenn der Lack auf carbonfaserverstärkte Kunststoffe aufgebracht ist. Der Lack weist Polyesterolen-Pigmente und organische Lösungsmittel auf. Ein kommerzielles Beispiel ist PEHAPOL-S 2K-Kunstoff-Lackfarbe.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der Überzug eine erste Schicht im Wesentlichen aus Kupfer auf dem Gehäuse und eine zweite Schicht auf der ersten Schicht im Wesentlichen aus Nickel aufweist. Diese Kombination hat sich als äußerst erfolgreich erwiesen, da Kupfer gut auf dem Kunststoff haftet und Nickel das Kupfer vor Korrosion schützt. Beide Metalle sind sehr gut elektrisch leitfähig und schirmen sehr gut vor elektromagnetischer Strahlung ab.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Schicht galvanisch auf das Gehäuse aufgebracht sind. Mittels Galvanik ist es möglich, kostengünstig eine höhere Zahl von Gehäusen zuverlässig mit den Metallen zu beschichten. Insbesondere ist dies technologisch weniger aufwändig als alternative Methoden.
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Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass der Überzug im wesentlichen Zink aufweist. Auch Zink ist ein Metall, das sehr gut haftet und eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Vorteilhafterweise kann dieses Zink durch ein Lichtbogenspritzverfahren aufgebracht sein. Zink wird auch für den Korrosionsschutz verwendet und ist daher auch hier beständig und zeigt gleichzeitig die notwendige Leitfähigkeit. Das Lichtbogenspritzverfahren ist ein leistungsstarkes Drahtspritzverfahren zur Herstellung von Beschichtung, bei dem elektrisch leitende Werkstoffe verspritzt werden. Dabei wird zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen gleicher oder unterschiedlicher Art ein Lichtbogen gezündet. Die Drahtspitzen werden bei einer Temperatur von rund 4000 Grad abgeschmolzen und mittels Zerstäubungsgas auf die präparierte Werkstückoberfläche geblasen. Bei Verwendung von Stickstoff oder Agon statt Luft als Zerstäubungsgas wird eine Oxidation der Materialien reduziert.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Überzug im Wesentlichen Aluminium aufweist. Die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Aluminium ist hoch, sodass dieses Metall für den vorliegenden Zweck sehr geeignet ist. Außerdem bildet Aluminium eine dünne Schicht aus Aluminiumoxyd, die das darunter liegende Aluminium vor Korrosion schützt.
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Dabei ist vorgesehen, dass das Aluminium durch einen Verdampfungsverfahren aufgebracht ist. Solch ein Verdampfungsverfahren kann bspw. thermisch oder elektrisch induziert sein.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der Überzug durch ein Gewebe, das in das Gehäuse einlaminiert ist, realisiert ist. Dabei kann das Gewebe eine Dämpfung von 70 dB bei 1 GHz aufweisen. Unter dem Laminieren wird vorliegend das Verbinden des Gewebes mit dem Gehäuse mittels eines Klebers verstanden.
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Vorzugsweise ist das Gewebe für eine Dämpfung von 70 dB bei einem 1 GHz ausgelegt, um den entsprechenden Schutz gegen elektromagnetische Strahlung zu gewährleisten. Die Gewebeart bestimmt die Dämpfung. Das Gewebe weist eine Kupfer-Nickel-Polyesterverbindung auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 der Einsatz eines Stromrichters in einem zumindest teilweise elektrisch betriebenen Antriebsstrang;
- 2 das Schichtsystem aus der Gehäusewand und dem Überzug und
- 3 die Gehäusewand mit einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht versehen.
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1 zeigt in einem Blockschaltbild die Verwendung von Stromrichtern in einem zumindest teilweise elektrisch betriebenen Antriebsstrang. Dabei wird ein Hochvoltgleichspannungsnetz HVGN einerseits von einer Hochvoltbatterie HVB und von einem Stromrichter SR1 gespeist. An den Stromrichter SR1 ist dafür ein Elektromotor EM1, der generatorisch betrieben wird, angeschlossen. Die Energie für den generatorischen Betrieb erhält der Elektromotor EM1 von einem Verbrennungsmotor VM. Über einen zweiten Stromrichter SR2 wird vom Hochvoltgleichspannungsnetz HVGN eine Gleichspannung entnommen und in Stromrichter SR2 in einen Wechselstrom gewandelt, der dem Elektromotor EM2 zugeführt wird. Mit diesem Elektromotor EM2 wird dann ein Gerät G betrieben. Bei dem Gerät G kann es sich um den Antrieb des Fahrzeugs handeln, aber auch um einen Nebenantrieb bspw. der Betrieb einer Betonmischertrommel.
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Es ist möglich, dass nur die Hochvoltbatterie HVB am Hochvoltgleichspannungsnetz HVBN angeschlossen ist und das dann daraus der Stromrichter SR2 die Wechselspannung für den Elektromotor EM2 gewinnt.
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2 zeigt das Schichtsystem aus Gehäusewand GW und elektrisch leitendem Überzug Ü. Die Gehäusewand GW ist Kunststoffverstärkt mit Kohlefasern. Der Überzug Ü kann verschiedene Ausprägungen aufweisen. Bspw. kann ein Lack auf Rußbasis diesen Überzug Ü bilden. Alternativ ist der Überzug Ü im Wesentlichen aus Zink hergestellt bspw. durch ein Lichtbogenspritzverfahren. Eine weitere Alternative ist, dass der Überzug Ü im Wesentlichen Aluminium aufweist, das durch ein Verdampfungsverfahren aufgebracht ist.
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Weiterhin ist möglich, dass der Überzug durch ein Gewebe, das in das Gehäuse G einlaminiert ist, realisiert ist. Dafür ist das Gewebe derart ausgeführt, dass es eine Dämpfung von 70 dB bei einem Gigahertz aufweist.
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Die 3 zeigt eine Alternative Konfiguration. Nunmehr wird auf der Gehäusewand GW ein Schichtsystem aus einer ersten Schicht S1 und einer zweiten Schicht S2 aufgebracht. Bspw. kann die erste Schicht Kupfer sein und die zweite Schicht Nickel.
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Bezugszeichenliste
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- VM
- Verbrennungsmotor
- EM1, 2
- Elektromotor
- HVB
- Hochvoltbatterie
- SR1, 2
- Stromrichter
- HVGN
- Hochvoltgleichspannungsnetz
- G
- Gerät
- Ü
- Überzug
- GW
- Gehäusewand
- S1, 2
- Schicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009058270 A1 [0002]
