DE102021113090A1

DE102021113090A1 - Leistungselektronik-Baugruppe und elektrischer Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102021113090A1
Application number: DE102021113090.5A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Gramann; Mihai Cretu; Jürgen Tipper
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-11-24
Also published as: WO2022242805A1

Abstract

Leistungselektronik-Baugruppe umfassend ein Gehäuse (5), ein Abschirmelement (6) sowie eine innerhalb des Gehäuses (5) angeordnete Wechselrichterschaltung (7), wobei die Wechselrichterschaltung (7) wenigstens ein Leistungsschaltmodul (8), einen Kondensator (9) und wenigstens eine weitere Komponente (10 - 13), die elektrisch über den Kondensator (9) mit dem Leistungsschaltmodul (8) verbunden ist, umfasst, wobei das Abschirmelement (6) im Inneren (15) des Gehäuses (5) zwischen zwei gegenüberliegenden Gehäuseseiten (16, 17) angeordnet ist und das Innere (15) des Gehäuses (5) in wenigstens zwei voneinander abgeschirmte Abschnitte (18, 19) teilt, und wobei das Leistungsschaltmodul (8) und die weitere Komponente (10 - 13) in zwei unterschiedlichen Abschnitten (18, 19) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik-Baugruppe umfassend ein Gehäuse, ein Abschirmelement sowie eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Wechselrichterschaltung, wobei die Wechselrichterschaltung wenigstens ein Leistungsschaltmodul, einen Kondensator und wenigstens eine weitere Komponente, die elektrisch über den Kondensator mit dem Leistungsschaltmodul verbunden ist, umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug.
Leistungselektronikschaltungen werden beispielsweise in elektrischen Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen verwendet. Dabei können sie dazu eingesetzt werden, um einen Gleichstrom, welcher z. B. einem als Batterie ausgebildeten Traktionsenergiespeicher entnommen wurde, in einem Wechselstrom zum Betrieb einer elektrischen Maschine zu wandeln. Umgekehrt können derartige Leistungselektronikschaltungen auch zum Gleichrichten eines von der elektrischen Maschine in einem Generatorbetrieb erzeugten Wechselstroms eingesetzt werden, um beispielsweise in einem Rekuperationsbetrieb den Traktionsenergiespeicher zu laden.
Die Wechselrichterschaltungen können insbesondere Leistungsschaltelemente in Form von Leistungsschaltmodulen umfassen, welche insbesondere für die Wechselrichtung des Gleichstroms getaktet geschaltet werden. Da in einem elektrischen Antriebssystem in der Regel hohe elektrische Spannungen verwendet werden, können durch die Schaltvorgänge der Schaltelemente elektromagnetische Störungen erzeugt werden, welche weitere Komponenten der Wechselrichterschaltung und/oder weitere Komponenten in dem Kraftfahrzeug oder der Umgebung des Kraftfahrzeuges beeinflussen können. Es ist daher wünschenswert, dass der Einfluss von derartigen Störungen reduziert werden kann.
Dazu wird in DE 10 2016 221 728 A1 eine Leistungselektronikeinheit mit einem elektrisch leitenden Gehäuse beschrieben, in welchem durch ein Trennelement ein Hochvoltraumbereich von einem Niedervoltraumbereich abgetrennt wird. Die einzelnen Bereiche einer Platine, welche in den Hochvoltraumbereich bzw. den Niedervoltraumbereich hineinragen, sind durch das Trennelement elektromagnetisch voneinander entkoppelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Leistungselektronik-Baugruppe anzugeben, welche insbesondere den Einfluss von im Betrieb auftretenden Störungen reduzieren kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Leistungselektronik-Baugruppe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Abschirmelement im Inneren des Gehäuses zwischen zwei gegenüber liegenden Gehäuseseiten angeordnet ist und das Innere des Gehäuses in wenigstens zwei voneinander abgeschirmte Abschnitte teilt, und dass das Leistungsschaltmodul und die weitere Komponente in zwei unterschiedlichen Abschnitten angeordnet sind.
Das im Inneren des Gehäuses angeordnete Abschirmelement teilt das Innere des Gehäuses in zwei oder mehr Abschnitte, welche durch das Abschirmelement elektromagnetisch voneinander abgeschirmt bzw. entkoppelt sind. Das Leistungsschaltmodul ist dabei in einem ersten Abschnitt und die weitere Komponente in einem zweiten Abschnitt angeordnet, so dass die weitere Komponente durch das Abschirmelement von dem Leistungsschaltmodul abgeschirmt ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Störungen, welche beispielsweise auf die Schaltvorgänge des Leistungsschaltmoduls zurückzuführen sind, die weitere Komponente beeinflussen.
Das Abschirmelement ist zumindest bereichsweise von jeder der zwei gegenüber liegenden Gehäuseseiten beabstandet, so dass insbesondere zwischen dem Abschirmelement und jeder der zwei gegenüber liegenden Gehäuseseiten jeweils ein Abschnitt gebildet wird. Die Abschnitte werden dabei jeweils zumindest teilweise von einer der gegenüber liegenden Gehäuseseiten und dem Abschirmelement umschlossen. Das Abschirmelement kann dazu beispielsweise an einer oder mehreren weiteren Gehäuseseiten, welche beispielsweise die gegenüber liegenden Gehäuseseiten miteinander verbinden, anliegen.
Die weitere Komponente, welche durch das Abschirmelement von dem Leistungsschaltmodul abgeschirmt wird, ist über einen Kondensator mit dem Leistungsschaltmodul verbunden. Bei dem Kondensator kann es sich um einen X-Kondensator handeln, welcher auch als DC-Link-Kondensator bezeichnet werden kann. Der Kondensator und die wenigstens eine weitere Komponente befinden sich insbesondere auf einer Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung bzw. des Leistungsschaltmoduls. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Komponente, welche selbst in der Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung eingebunden ist, von Störungen der Wechselstromseite, insbesondere von den Schaltvorgängen des Leistungsschaltmoduls, geschützt werden.
Die unterschiedlichen Abschnitte im Inneren des Gehäuses können also dazu verwendet werden, um eine oder mehrere weitere Komponenten der Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung von dem zur Erzeugung bzw. Wandlung des Wechselstroms eingesetzten Leistungsschaltmodul abzuschirmen. Dadurch können Überkopplungen von der Wechselstromseite in die Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung vermieden werden. Bei Einsatz der Leistungselektronik in einem Kraftfahrzeug können auch Rückwirkungen auf ein Kraftfahrzeug-Bordnetz, zum Beispiel ein an der Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung angebundenes Hochvolt-Gleichspannungsnetz und/oder ein an der Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung angebundenes Niedervolt-Gleichspannungsnetz, vermieden werden. Durch das Abschirmelement und die Aufteilung des Inneren des Gehäuses in zwei Abschnitte kann somit die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Leistungselektronik-Baugruppe verbessert werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Abschirmelement und das Gehäuse jeweils zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig sind, wobei das Abschirmelement elektrisch mit dem Gehäuse verbunden ist. Dadurch kann die Abschirmwirkung des Abschirmelements verbessert werden. Wenn das Gehäuse und das Abschirmelement jeweils zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig sind, kann durch das Abschirmelement und den jeweils einen der Abschnitte umgebenden Teil des Gehäuses jeweils ein faradayscher Käfig erzeugt werden, welcher eine besonders gute elektromagnetische Abschirmwirkung aufweist. Die elektrische Verbindung zwischen dem Abschirmelement und dem Gehäuse kann z. B. über eine unmittelbare Befestigung des Abschirmelements an einer oder mehrerer der Gehäuseseiten erfolgen. Die unmittelbare Befestigung kann dabei z. B. unter Verwendung von wenigstens einem elektrisch leitfähigen Befestigungsmittel, beispielsweise einer Schraube, oder durch Verwendung einer formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Abschirmelement einen oder mehrere flächige Abschnitte aufweist, welche sich jeweils zumindest abschnittsweise parallel zu wenigstens einer der Gehäuseseiten erstrecken. Das Abschirmelement kann das Gehäuse dabei je nach Montageposition der Leistungselektronik-Baugruppe z. B. in einen oberen und einen unteren Abschnitt aufteilen. Beispielsweise kann das Leistungselektronikmodul in dem unteren Abschnitt angeordnet sein und die weitere Komponente kann entsprechend oberhalb des Leistungselektronikschaltmoduls und oberhalb des Abschirmelements in dem oberen Abschnitt angeordnet sein. Das Gehäuse der Leistungselektronik-Baugruppe kann somit einen doppelstöckigen Aufbau aufweisen. Auf diese Weise können die Bestandteile der Wechselrichterschaltung in zwei Ebenen in dem Gehäuse angeordnet werden, wodurch vorteilhaft eine Baugröße des Gehäuses in einer Raumrichtung verkürzt werden kann.
Insbesondere bei einer Anordnung der Leistungselektronik-Baugruppe in einem Kraftfahrzeug kann dadurch eine platzsparende Anordnung der Leistungselektronik-Baugruppe bzw. der Wechselrichterschaltung in dem Kraftfahrzeug erreicht werden. Außerdem ist es möglich, die Leistungselektronik-Baugruppe näher an einer elektrischen Maschine, welche insbesondere über die Leistungselektronik-Baugruppe betrieben werden kann, anzuordnen. Weiterhin ergeben sich bei einer Anordnung der Elemente der Wechselrichterschaltungen auf zwei Ebenen und der gegenüber einer planaren Anordnung der Elemente in zumindest einer Raumrichtung reduzierten Größe des Gehäuses größere Möglichkeiten, die Leistungselektronik-Baugruppe beispielsweise in einem Kraftfahrzeug anzuordnen, so dass die Flexibilität und die Einsatzmöglichkeiten der Leistungselektronik-Baugruppe erhöht werden können. Das Anordnen der Elemente der Wechselrichterschaltung auf zwei Ebenen kann insbesondere auch eine kompaktere Ausführung des Gehäuses und somit der gesamten Leistungselektronik-Baugruppe bewirken.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Leistungsschaltmodul an einer der gegenüberliegenden Gehäuseseiten angeordnet ist und/oder dass die weitere Komponente an dem Abschirmelement angeordnet ist. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass das Abschirmelement als ein Zwischenboden des Gehäuses eingesetzt werden kann. Dies vereinfacht die platzsparende Anordnung und Befestigung der Bestandteile der Wechselrichterschaltung in dem Gehäuse. Darüber hinaus hat eine insbesondere direkte Anordnung der weiteren Komponente an dem Abschirmelement den Vorteil, dass eine Kühlung der weiteren Komponente über das Abschirmelement ermöglicht wird. Insbesondere wenn das Abschirmelement an einer oder mehreren der weiteren Gehäuseseiten des Gehäuses mit diesem direkt verbunden ist, kann Wärme aus der weiteren Komponente über das Abschirmelement in das Gehäuse abgeführt werden. Auf diese Weise ist eine verbesserte Wärmeabfuhr aus der Wechselrichterschaltung möglich. Das Gehäuse kann insbesondere eine Kühlvorrichtung aufweisen oder mit einer Kühlvorrichtung verbindbar bzw. verbunden sein, so dass beispielsweise an einer Gehäuseseite des Gehäuses eine Wärmesenke erzeugt wird. Das Gehäuse kann dazu beispielsweise einen oder mehrere Kühlkanäle aufweisen bzw. es kann mit einer einen oder mehrere Kühlkanäle begrenzenden oder umfassenden Kühlvorrichtung verbunden sein.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Abschirmelement aus einem Metallblech, insbesondere einem Stahlblech oder einem Weißblech, besteht und/oder dass das Abschirmelement eine Rippenstruktur oder wenigstens eine Sicke aufweist. Ein aus einem Metallblech wie einem Stahlblech oder einem Weißblech bestehendes Abschirmelement weist eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit auf, um eine Abschirmung zwischen den zwei unterschiedlichen Abschnitten zu bewirken. Ferner kann ein aus einem Metallblech bestehendes Abschirmelement in einfacher Weise durch Stanzen und/oder Biegen eines Metallblechs gefertigt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Abschirmelement eine Dicke zwischen 1 mm und 5 mm aufweist. Insbesondere kann das Abschirmelement eine Dicke von 3 mm aufweisen.
Das Abschirmelement kann eine Rippenstruktur oder wenigstens eine Sicke aufweisen, so dass die mechanische Stabilität des Abschirmelements verbessert wird. Dies ermöglicht insbesondere die Anordnung der wenigstens einen weiteren Komponente an dem Abschirmelement und mithin die Verwendung des Abschirmelements als ein zusätzlicher Zwischenboden des Gehäuses. Die Rippenstruktur kann dabei beispielsweise in einer Seite des Abschirmelements ausgebildet sein, welche der Seite, an der die wenigstens eine weitere Komponente angeordnet ist, gegenüberliegt. Auf diese Weise kann durch die Rippenstruktur eine Versteifung erzeugt werden ohne dass die Kontaktfläche zwischen der weiteren Komponente und dem Abschirmelement verkleinert wird. Dies begünstigt insbesondere die vorangehend beschriebene Kühlung der wenigstens einen weiteren Komponente über das Abschirmelement.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die weitere Komponente ein Gleichstromsensor, eine Stromschiene, eine Filterschaltung, ein Entladewiderstand und/oder ein Gleichspannungswandler ist. Insbesondere können mehrere weitere Komponenten vorhanden sein und in einem oder mehreren Abschnitten, welche von dem Abschnitt, in dem das wenigstens eine Leistungsschaltmodul angeordnet ist, verschieden ist, angeordnet sein.
Beispielsweise ist es möglich, dass in einem der Abschnitte zwei Stromschienen, ein Gleichstromsensor, ein Entladewiderstand und eine Filterschaltung angeordnet sind. Zusätzlich dazu ist es möglich, dass auch ein Gleichspannungswandler in dem gleichen Abschnitt angeordnet ist. Bei den Stromschienen handelt es sich insbesondere um mit einem Hochvolt-Energiespeicher verbindbare Stromschienen, über welche ein Gleichstrom dem Kondensator und über den Kondensator auch dem wenigstens einen Leistungsschaltmodul zugeführt werden kann. Die Stromschienen können dabei insbesondere derart beschaffen sein, dass sie einen dauerhaften Leistungsfluss von wenigstens 100 kW ermöglichen. Der Gleichstromsensor kann die Stromstärke eines in wenigstens einer Stromschiene fließenden Gleichstroms messen und über den Entladewiderstand kann insbesondere ein Entladen des Kondensators der Wechselrichterschaltung ermöglicht werden.
Die Filterschaltung kann zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen und/oder Gegentaktstörungen auf der Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung dienen. Die Filterschaltung kann dazu beispielsweise einen oder mehreren Filterkondensatoren, insbesondere X-Kondensatoren und/oder Y-Kondensatoren, umfassen. Der Gleichspannungswandler kann insbesondere dazu ausgebildet sein, eine an den Stromschienen anliegende Hochvolt-Gleichspannung in eine Niedervolt-Gleichspannung, insbesondere eine 12 V-Spannung, umzuwandeln. Auf diese Weise kann beispielsweise der Gleichspannungswandler bei Einsatz der Leistungselektronik-Baugruppe in einem Kraftfahrzeug zur Versorgung eines Niederspannungs-Bordnetzes des Kraftfahrzeugs verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in dem Abschnitt, in dem das Leistungsschaltmodul angeordnet ist, auch eine mit dem Leistungsschaltmodul verbundene Steuerschalteinrichtung angeordnet ist. Die Steuerschalteinrichtung umfasst insbesondere eine Treiberschaltung und ein Steuergerät. Über die Treiberschaltung kann dabei das wenigstens eine Leistungsschaltmodul geschaltet werden. Beispielsweise kann durch die Treiberschaltung eine Steuerspannung, wie eine Gate-Spannung oder eine Basis-Emitter-Spannung, für ein oder mehrere Halbleiter-Schaltelemente des Leistungsschaltmoduls bereitgestellt werden. Das Steuergerät der Steuerschalteinrichtung kann zur Ansteuerung der Treiberschaltung und zum Betrieb der Wechselrichterschaltung, insbesondere für einen Motorbetrieb und/oder einen Generatorbetrieb einer mit der Wechselrichterschaltung verbundenen elektrischen Maschine, ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Abschirmelement wenigstens eine Öffnung aufweist, wobei durch die Öffnung eine elektrische Verbindung zwischen der weiteren Komponente und der Steuerschalteinrichtung geführt ist. Bei der elektrischen Verbindung kann es sich z. B. um eine elektrische Leitung oder dergleichen handeln. Die Verbindung kann beispielsweise zwischen einer als Gleichstromsensor ausgebildeten weiteren Komponente und einem Steuergerät der Steuerschalteinrichtung erfolgen. Auf diese Weise kann das Steuergerät beim Betrieb der Wechselrichterschaltung den vom Gleichstromsensor gemessenen Stromwert für den Strom auf der Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung berücksichtigen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine elektrische Verbindung zwischen dem Gleichspannungswandler und der Steuerschalteinrichtung bestehen, so dass beispielsweise über den als weitere Komponente in dem anderen Abschnitt angeordneten Gleichspannungswandler auch eine Strom- bzw. Spannungsversorgung der Treiberschaltung und/oder des Steuergeräts der Steuerschalteinrichtung möglich ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen, dass die Wechselrichterschaltung drei Leistungsschaltmodule aufweist, wobei die Leistungsschaltmodule jeweils eine Halbbrücke umfassen. Die Wechselrichterschaltung kann dabei insbesondere als ein dreiphasiger Pulswechselrichter ausgebildet sein. Zum Anschluss der dreiphasigen Pulswechselrichterschaltung an weitere Elemente, insbesondere eine elektrische Maschine und/oder einen Energiespeicher, kann das Gehäuse zwei Gleichstromanschlüsse sowie drei Wechselstromanschlüsse aufweisen. Die Gleichstromanschlüsse können dabei mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden werden. Ein Anschluss einer elektrischen Maschine kann entsprechend über die drei Wechselstromanschlüsse erfolgen. Die zwei Gleichstromanschlüsse sind insbesondere im Inneren Gehäuses mit dem Kondensator verbunden und die drei Wechselstromanschlüsse entsprechend mit der Wechselstromseite des durch die drei Leistungsschaltmodule gebildeten Pulswechselrichters.
Für einen erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine elektrische Maschine, einen Energiespeicher und eine erfindungsgemäße Leistungselektronik-Baugruppe umfasst.
Sämtliche vorangehend in Bezug zur erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Baugruppe beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrang und umgekehrt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug,
2 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Baugruppe,
3 eine Aufsicht auf das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Baugruppe und
4 ein Schaltplan einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Baugruppe.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebsstrangs 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Der elektrische Antriebsstrang 1 umfasst eine elektrische Maschine 2, einen Energiespeicher 3 und eine Leistungselektronik-Baugruppe 4. Die Leistungselektronik-Baugruppe 4 dient dazu, einen dem Energiespeicher 3 entnommenen Gleichstrom in einen Wechselstrom zum Betreiben der elektrischen Maschine 2 zu wandeln. Weiterhin kann durch die Leistungselektronik-Baugruppe ein im Generatorbetrieb von der elektrischen Maschine 2 erzeugter Wechselstrom in einem Gleichstrom zum Laden des Energiespeichers 3 umgewandelt werden. Bei dem Energiespeicher 3 handelt es sich insbesondere um eine Hochvoltbatterie, welche einen Gleichstrom bei einer Spannung zwischen 400 V und 1000 V bereitstellen kann. Bei der elektrischen Maschine 2 handelt es sich um eine Traktionselektromaschine, welche als elektrischer Antrieb eines den elektrischen Antriebsstrang 1 umfassenden Kraftfahrzeugs verwendet werden kann.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Leistungselektronik-Baugruppe 4 dargestellt. Die Leistungselektronik-Baugruppe 4 umfasst ein Gehäuse 5, ein Abschirmelement 6 sowie eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Wechselrichterschaltung 7. Die Wechselrichterschaltung 7 umfasst drei Leistungsschaltmodule 8, einen Kondensator 9 und mehrere weitere Komponenten 10 - 13. Die weiteren Komponenten 10 - 13 sind auf einer Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung 7 angeordnet und mit den Leistungsschaltmodulen 8 über den Kondensator 9 verbunden. Der Kondensator 9 stellt einen X-Kondensator des Gleichstromteilkreises der Wechselrichterschaltung dar und kann auch als DC-Link-Kondensator bezeichnet werden.
Die Wechselrichterschaltung 7 umfasst zwei als Stromschienen ausgebildete weitere Komponenten 10. Die weitere Komponente 11 ist als eine Filterschaltung ausgebildet, welche mehrere Filterelemente wie Spulen und Kondensatoren, beispielsweise weitere X-Kondensatoren und/oder Y-Kondensatoren, umfassen kann. Die Komponente 12 ist als ein Gleichstromsensor ausgebildet, mittels welchem ein Gleichstrom in wenigstens einer der Stromschienen 10 gemessen werden kann. Es ist möglich, dass zusätzlich auch eine als Entladewiderstand ausgebildete weitere Komponente vorgesehen ist.
Die Stromschienen 10 sind mit den Kondensator 9 sowie einer als Gleichspannungswandler ausgebildeten Komponente 13 verbunden. Die als Gleichspannungswandler ausgebildete Komponente 13 dient beispielsweise dazu, eine von einem Energiespeicher 3 bereitgestellte Hochvolt-Gleichspannung in eine Niedervolt-Gleichspannung, insbesondere eine 12 V-Spannung, zu wandeln. Weiterhin sind die Stromschienen 10 mit einem Gleichstromanschluss 14 der Leistungselektronik-Baugruppe verbunden, wobei die Verbindung in der Schnittansicht in 2 jedoch nicht dargestellt ist.
Das Abschirmelement 6 ist im Inneren 15 des Gehäuses 5 angeordnet und erstreckt sich zwischen zwei gegenüber liegenden Gehäuseseiten 16, 17. Das Abschirmelement 6 teilt das Innere 15 des Gehäuses 5 in zwei voneinander abgeschirmte Abschnitte 18, 19. Die Leistungsschaltmodule 8 sind in dem unteren Abschnitt 18, das heißt zwischen dem Abschirmelement 6 und der unteren Gehäuseseite 17, angeordnet. Die weiteren Komponenten 10 - 13, welche sich auf der Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung 7 befinden, sind in dem oberen Abschnitt 19, also zwischen dem Abschirmelement 6 und der oberen Gehäuseseite 16, angeordnet.
Durch das Abschirmelement 6 wird eine elektromagnetische Abschirmung zwischen den Abschnitten 18, 19 erreicht. Auf diese Weise können die weiteren Komponenten 11 - 13 von den Leistungsschaltmodulen 8 abgeschirmt werden. Die Leistungsschaltmodule 8 umfassen jeweils beispielsweise zwei Transistoren, welche zu einer Halbbrücke verschaltet sind. Im Betrieb der Wechselrichterschaltung 7 werden die Schaltelemente der Leistungsschaltmodule 8 geschaltet, so dass die Wechselrichterschaltung als ein Pulswechselrichter betrieben werden kann. Die Schaltvorgänge der Leistungsschaltmodule 8 erzeugen elektromagnetische Störungen, welche durch das Abschirmelement 6 von den weiteren Komponenten 10-13 und somit von der Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung abgeschirmt werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft die Rückwirkung der Störungen auf die Gleichstromseite und/oder auf ein mit der Wechselrichterschaltung verbundenes Bordnetz eines Kraftfahrzeugs reduziert werden.
Das Gehäuse 5 sowie das Abschirmelement 6 sind jeweils zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig. Wie in der Aufsicht auf die Leistungselektronik-Baugruppe 4 in 3 zu erkennen ist, ist das Abschirmelement 6 an drei weiteren Gehäuseseiten 20 elektrisch mit dem Gehäuse 5 verbunden. Auf diese Weise bilden das Gehäuse 5 und das Abschirmelement 6 um die Abschnitte 18 und 19 herum jeweils einen faradayschen Käfig aus, wodurch die Abschirmung der Bestandteile der Wechselrichterschaltung 7 verbessert wird. Die Abschnitte 18 und 19 bilden also jeweils eine abgeschirmte Kammer, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Leistungselektronik-Baugruppe 4 verbessert wird.
Die weiteren Komponenten 10 - 13 sind alle oder zumindest zum Teil an dem Abschirmelement 6 angeordnet. Das Abschirmelement 6, welches sich durch das Innere 15 des Gehäuses 5 erstreckt, bildet somit einen Zwischenboden des Gehäuses 5, wodurch die Länge des Gehäuses 5 bzw. der Leistungselektronik-Baugruppe 4 in x-Richtung vorteilhaft reduziert werden kann. Auf diese Weise wird ein kompakter Aufbau der Leistungselektronik-Baugruppe 4 erreicht.
Die weiteren Komponenten 10 - 13 der Wechselrichterschaltung 7 sind an einem flächigen Abschnitt 21 des Abschirmelements 6 angeordnet. Der flächige Abschnitt 21 erstreckt sich zumindest abschnittsweise parallel zu den Gehäuseseiten 16, 17. Die Anordnung der Komponenten 10 - 13 ist ebenfalls in der Aufsicht gemäß 3 schematisch dargestellt.
Das Abschirmelement 6 ist elektrisch leitfähig und als ein Metallblech, insbesondere als Stahlblech oder als Weißblech, ausgeführt. Das Abschirmelement 6 kann an einer Seite, insbesondere der dem Abschnitt 8 zugewiesenen, unteren Seite des Abschirmelements 6 eine Rippenstruktur oder wenigstens eine Sicke aufweisen, so dass die mechanische Stabilität des Abschirmelements 6 verbessert wird. Das Abschirmelement 6 weist eine Dicke, in 2 in z-Richtung, zwischen 1 mm und 5 mm, insbesondere von 3 mm, auf.
An der Gehäuseunterseite 17 sind drei Wechselstromanschlüsse 24 vorgesehen, mit welchen die Wechselrichterschaltung 7 mit der elektrischen Maschine 2 verbunden werden kann. Zusätzlich dazu können ein oder mehrere weitere Anschlüsse 25 vorgesehen sein, beispielsweise um die Wechselrichterschaltung 7 mit weiteren Komponenten eines Kraftfahrzeuges, insbesondere mit einem Steuergerät oder dergleichen, zu verbinden.
In dem Abschnitt 18 im Inneren des Gehäuses 5, in dem die Leistungsschaltmodule 8 angeordnet sind, ist weiterhin auch eine mit den Leistungsschaltmodulen 8 verbundene Steuerschalteinrichtung 26 der Wechselrichterschaltung 7 angeordnet. Um die Steuerschalteinrichtung 26 mit einem Teil der weiteren Komponenten 10 - 13 zu verbinden, umfasst das Abschirmelement 6 zwei Öffnungen 27, 28. Durch diese Öffnungen kann jeweils eine Verbindung, beispielsweise ein Kabel, zwischen der Steuerschalteinrichtung 26 und der als Gleichspannungswandler ausgebildeten Komponente 13 bzw. der als Gleichstromsensor ausgebildeten Komponente 12 erfolgen.
Die Leistungselektronik-Baugruppe 4 umfasst eine Kühleinrichtung 33, welche an der Unterseite 17 des Gehäuses angeordnet ist. Zwischen der Kühleinrichtung 33 und der unteren Gehäuseseite 17 werden mehrere Kühlkanäle 22 gebildet, welche über zwei Anschlüsse 23 an einen Kühlkreislauf angeschlossen werden können, so dass in den Kühlkanälen 22 ein Kühlfluid zirkulieren kann. Auf diese Weise kann eine Kühlung insbesondere der auf der unteren Gehäuseseite 17 angeordneten Leistungsschaltmodule 8 der Wechselrichterschaltung 7 erfolgen.
Aufgrund der direkten Anordnung bzw. Befestigung der weiteren Komponenten 11 - 13 an dem Abschirmelement 6 und der direkten Verbindung des Abschirmelements 6 zu den drei weiteren Gehäuseseiten 20 kann auch die Kühlung der weiteren Komponenten 10 - 13 der Wechselrichterschaltung 7 verbessert werden. Das Abschirmelement 6 wirkt als ein passiver Kühler, wobei ein Wärmefluss durch das Abschirmelement 6 in das Gehäuse 5 und über das Gehäuse 5 in die Kühlkanäle 22 ermöglicht wird.
In 4 ist ein Schaltplan der Wechselrichterschaltung 7 dargestellt. Die Leistungsschaltmodule 8 umfassen jeweils zwei als Transistor ausgebildete Schaltelemente 29, welche zu einer Halbbrücke verschaltet sind. Die jeweiligen Halbbrücken sind parallel zu dem Kondensator 8 geschaltet. Auf der Gleichstromseite der Wechselrichterschaltung 7 sind weiterhin die Filterschaltung 11 sowie der Gleichstromsensor 12 dargestellt. Die Wechselrichterschaltung 7 ist über den Gleichstromstecker 14 mit dem Energiespeicher 3 verbindbar. Entsprechend sind die wechselstromseitigen Anschlüsse 24 jeweils mit einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine 2 verbindbar.
Die Steuerschalteinrichtung 26 umfasst eine Treiberschaltung 30 sowie eine Steuergerät 31. Die Treiberschaltung 30 ist dabei mit den Steueranschlüssen 32 der Schaltelemente 29 verbunden. Die entsprechenden Verbindungen sind in 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Weiterhin nicht dargestellt ist die Verbindung zwischen dem Stromsensor 12 und dem Steuergerät 31, welche durch die Öffnung 28 des Abschirmelements 6 geführt wird. Schematisch eingezeichnet ist die Verbindung zwischen der als Gleichspannungswandler ausgebildeten Komponente 13 und der Treiberschaltung 30. Es ist möglich, dass die Wechselrichterschaltung 7 keine als Gleichspannungswandler ausgebildete weitere Komponente 13 umfasst, in diesem Fall können auch die Verbindung sowie die Öffnung 27 in dem Abschirmelement 6 entfallen.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsstrang
2: elektrische Maschine
3: Energiespeicher
4: Leistungselektronik-Baugruppe
5: Gehäuse
6: Abschirmelement
7: Wechselrichterschaltung
8: Leistungsschaltmodule
9: Kondensator
10-13: Komponenten
14: Gleichstromanschluss
15: Gehäuseinneres
16, 17: Gehäuseseiten
18, 19: Abschnitte
20: Gehäuseseiten
21: Abschnitt
22: Kühlkanäle
23, 25: Anschlüsse
24: Wechselstromanschlüsse
26: Steuerschalteinrichtung
27, 28: Öffnungen
29: Schaltelement
30: Treiberschaltung
31: Steuergerät
32: Steueranschlüsse
33: Kühleinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016221728 A1 [0004]

Claims

Leistungselektronik-Baugruppe umfassend ein Gehäuse (5), ein Abschirmelement (6) sowie eine innerhalb des Gehäuses (5) angeordnete Wechselrichterschaltung (7), wobei die Wechselrichterschaltung (7) wenigstens ein Leistungsschaltmodul (8), einen Kondensator (9) und wenigstens eine weitere Komponente (10 - 13), die elektrisch über den Kondensator (9) mit dem Leistungsschaltmodul (8) verbunden ist, umfasst, wobei das Abschirmelement (6) im Inneren (15) des Gehäuses (5) zwischen zwei gegenüberliegenden Gehäuseseiten (16, 17) angeordnet ist und das Innere (15) des Gehäuses (5) in wenigstens zwei voneinander abgeschirmte Abschnitte (18, 19) teilt, und wobei das Leistungsschaltmodul (8) und die weitere Komponente (10 - 13) in zwei unterschiedlichen Abschnitten (18, 19) angeordnet sind.
Leistungselektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (6) und das Gehäuse (5) jeweils zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig sind, wobei das Abschirmelement (6) elektrisch mit dem Gehäuse (5) verbunden ist.
Leistungselektronik-Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (6) einen oder mehrere flächige Abschnitte (21) aufweist, welche sich jeweils zumindest abschnittsweise parallel zu wenigstens einer der Gehäuseseiten (16, 17) erstrecken.
Leistungselektronik-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsschaltmodul (8) an einer der gegenüberliegenden Gehäuseseiten (17) angeordnet ist und/oder dass die weitere Komponente (10 - 13) an dem Abschirmelement (6) angeordnet ist.
Leistungselektronik-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (6) aus einem Metallblech, insbesondere einem Stahlblech oder einem Weißblech, besteht und/oder dass das Abschirmelement (6) eine Rippenstruktur oder wenigstens eine Sicke aufweist.
Leistungselektronik-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Komponente (10-13) ein Gleichstromsensor, eine Stromschiene, eine Filterschaltung und/oder ein Gleichspannungswandler ist.
Leistungselektronik-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abschnitt (18), in dem das Leistungsschaltmodul (8) angeordnet ist, auch eine mit dem Leistungsschaltmodul (8) verbundene Steuerschalteinrichtung (26) angeordnet ist.
Leistungselektronik-Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (6) wenigstens eine Öffnung (27, 28) aufweist, wobei durch die Öffnung (27, 28) eine elektrische Verbindung zwischen der weiteren Komponente (10 - 13) und der Steuerschalteinrichtung (26) geführt ist.
Leistungselektronik-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (7) drei Leistungsschaltmodule (8) aufweist, wobei die Leistungsschaltmodule (8) jeweils eine Halbbrücke umfassen.
Elektrischer Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine (2), einen Energiespeicher (3) und eine Leistungselektronik-Baugruppe (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche.