DE102021130733A1

DE102021130733A1 - Elektrische Schaltungseinrichtung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021130733A1
Application number: DE102021130733.3A
Authority: DE
Inventors: Cornelius RETTNER; Benjamin Söhnle
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2023-05-25
Also published as: US20230164961A1; CN116171001A

Abstract

Elektrische Schaltungseinrichtung umfassend eine Leistungselektronik-Schaltung (14) mit wenigstens einem Leistungselektronik-Modul (7, 8, 9), eine Filtereinrichtung (6), einen Kühlkörper (12), einen Anschluss (13) und wenigstens eine Stromschiene (10, 11), wobei die Filtereinrichtung (6) zumindest teilweise mit der Stromschiene (10, 11) gekoppelt ist und die Stromschiene (10, 11) den Anschluss (13) mit der Leistungselektronik-Schaltung (14) elektrisch verbindet, wobei das Leistungselektronik-Modul (7, 8, 9) und wenigstens ein Abschnitt (15) der Stromschiene (10, 11) thermisch an den Kühlkörper (12) angebunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungseinrichtung umfassend eine Leistungselektronik-Schaltung mit wenigstens einem Leistungselektronik-Modul, eine Filtereinrichtung, einen Kühlkörper, einen Anschluss und wenigstens eine Stromschiene, wobei die Filtereinrichtung zumindest teilweise mit der Stromschiene gekoppelt ist und die Stromschiene den Anschluss mit der Leistungselektronik-Schaltung elektrisch verbindet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
Bei Kraftfahrzeugen mit elektrischem Antrieb werden in der Regel ein oder mehrere Elektromotoren als Traktionsmotoren zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet. Dabei werden üblicherweise Drehstrommotoren eingesetzt, welche aus einer Gleichstrom-Energiequelle, insbesondere einer Traktionsbatterie, versorgt und über einen Inverter angesteuert werden. Derartige Inverter werden beispielsweise als eine Leistungselektronik-Schaltung aus einem oder mehreren Leistungselektronik-Modulen realisiert. Diese können dabei mit weiteren Elementen eine gemeinsame Baueinheit bilden. Neben einer Traktionsbatterie können auch andere Arten von Gleichstromenergiequellen, zum Beispiel eine Brennstoffzelle oder ein mit einem Wechselstromnetzwerk verbundener Gleichrichter, zur Versorgung eines Traktionselektromotors eingesetzt werden.
Zur Filterung von Störungen, insbesondere in einem mit dem Inverter verbundenen Gleichstrom-Teilnetz, kann eine Filtereinrichtung eingesetzt werden, welche beispielsweise Gleichtaktstörungen (Common Mode-Störungen) oder Gegentaktstörungen (Differential Mode-Störungen) filtern kann. Die durch die Schaltvorgänge bei Betrieb der Leistungselektronik-Schaltung entstehen Störungen können dabei über die Bauteile der Filtereinrichtung gefiltert bzw. in Wärme umgesetzt werden. Auch die Zufuhr eines Gleichstroms an den Inverter bzw. an die Leistungselektronik-Schaltung kann zu einer Erwärmung der elektrischen Schaltungseinrichtung führen. Die Erwärmung der Komponenten der Filtereinrichtung kann jedoch auf eine maximal zulässige Temperatur begrenzt sein, sodass je nach Wärmeeintrag Maßnahmen zur Begrenzung der Erwärmung erforderlich sein können.
Dazu ist es bekannt, die Komponenten der Filtereinrichtung beispielsweise thermisch an ein Gehäuse der elektrischen Schaltungseinrichtung anzubinden, sodass eine Wärmeabfuhr über das Gehäuse ermöglicht wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die über das Gehäuse abfließende Wärmemenge und somit die Entwärmung der Komponenten stark von der Temperatur des Gehäuses bzw. der Umgebung der Schaltungseinrichtung abhängt. Zur Reduktion der Erwärmung bzw. zur Kühlung von Komponenten einer elektrischen Schaltungseinrichtung sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt.
In DE 10 2018 208 308 A1 wird ein elektrischer Stromrichter mit einer modular aufgebauten Filtervorrichtung zur Filterung von Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen beschrieben. Die Entwärmung der Bauelemente für die Filtervorrichtung erfolgt dabei mittels einer Kühleinrichtung, welche ebenfalls für die Entwärmung der leistungselektronischen Komponenten des Stromrichters verwendet wird, um einen kompakten Aufbau des Stromrichters zu erreichen.
DE 10 2017 222 024 A1 offenbart einen Wechselrichter mit einer plattenförmigen Trägervorrichtung. Der Korpus der Trägervorrichtung ist als ein Kühlkörper ausgebildet, sodass über ihn verschiedene Funktionskomponenten des Wechselrichters gekühlt werden können. Die Funktionskomponenten sind dazu an den Seiten der Trägervorrichtung angeordnet.
Aus DE 10 2017 113 556 B3 ist ein Filterbauteil bekannt, welches einen ersten Bereich zur Durchführung zumindest einer Stromschiene aufweist. Weiterhin umfasst das Filterbauteil einen zweiten Bereich, in dem zumindest ein diskretes Bauelement angeordnet ist, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich durch einen Kühlbereich voneinander getrennt sind. Über den Kühlbereich wird dabei eine thermische Entkopplung des ersten Bereichs vom zweiten Bereich erzielt, um die Erwärmung des diskreten Bauelements zu reduzieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltungseinrichtung anzugeben, welche eine verringerte Erwärmung ihrer Komponenten, insbesondere eine verringerte Erwärmung einer Filtereinrichtung, aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Schaltungseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Leistungselektronik-Modul und wenigstens ein Abschnitt der Stromschiene thermisch an den Kühlkörper angebunden sind.
Durch das thermische Anbinden wenigstens eines Abschnitts der Stromschiene an den Kühlkörper kann die Erwärmung der Filtereinrichtung reduziert werden, da insbesondere die Temperatur der Stromschiene durch die thermische Anbindung an den Kühlkörper reduziert werden kann. Neben einer Kühlung des Leistungselektronik-Moduls kann der Kühler somit ebenfalls eine Kühlung der Stromschiene bewirken. Da die Filtereinrichtung bzw. ihre Komponenten mit der Stromschiene verbunden sind, kann die Temperatur der Filtereinrichtung bzw. ihrer Komponenten vorteilhaft ebenfalls geringgehalten werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der hauptsächliche Wärmeeintrag in die Filtereinrichtung durch die Erwärmung der Stromschienen bzw. die Temperatur des Anschlusses, welcher über die Stromschienen mit der Leistungselektronik-Schaltung elektrisch verbunden ist, verursacht wird. Insbesondere durch hohe Versorgungsströme, welche der Leistungselektronik-Schaltung über den Anschluss zugeführt werden, kann es zu einem starken Aufheizen des beispielsweise als Gleichstrom-Stecker bzw. DC-Stecker ausgeführten Anschlusses führen.
Die Stromschienen, welche in der Regel eine erhebliche Stromtragfähigkeit aufweisen müssen, sind insbesondere aus einem leitfähigen Metall wie Aluminium und/oder Kupfer gefertigt und daher ebenfalls thermisch leitfähig, sodass sie durch ihre Erwärmung weiter zur Verbreitung der über den Anschluss eingebrachten Wärme in der elektrischen Schaltungseinrichtung beitragen können. Beispielsweise kann ein als DC-Stecker ausgebildeter Anschluss kann bei der Speisung einer als Wechselrichterschaltung ausgebildeten Leistungselektronik-Schaltung eine Temperatur von beispielsweise 150°C erreichen. Für einzelne, mit den Stromschienen verbundene Komponenten der Filtereinrichtung, insbesondere für Kapazitäten und/oder Induktivitäten, können derartige Temperaturen unerwünscht sein, da sie die Lebensdauer der Komponenten reduzieren können bzw. den Einsatz von kostenintensiveren, temperaturstabilen Bauteilen erforderlich machen können.
Durch die thermische Anbindung wenigstens eines Abschnitts der wenigstens einen Stromschiene an den Kühlkörper wird es ermöglicht, Komponenten mit einer geringeren zulässigen Maximaltemperatur, beispielsweise von 105 °C, einzusetzen, da aufgrund der Wärmeabfuhr von der Stromschiene in den Kühlkörper eine signifikante Reduzierung der Temperatur der Stromschiene und somit auch der Filtereinrichtung bzw. ihrer Komponenten erreicht werden kann. Insbesondere ein hoher Wärmeeintrag des Anschlusses kann durch die Kühlung der wenigstens einen Stromschienen abgeführt werden, sodass die Wärme von dort nicht oder zumindest nur in einem reduzierten Umfang zu einer Erwärmung der Komponenten der Filtereinrichtung beiträgt. Vorteilhaft kann so auch die Lebensdauer der Komponenten der Filtereinrichtung verbessert werden.
Weiterhin ermöglicht es die thermische Anbindung der Stromschiene an den Kühlkörper, dass auf den Einsatz eines weiteren Kühlkörpers und/oder auf eine weitere thermische Anbindung der Filtereinrichtung bzw. ihrer Komponenten an ein Gehäuse der elektrischen Schaltungseinrichtung vorteilhaft verzichtet werden kann. Das hat den Vorteil, dass die Temperatur der Filtereinrichtung bzw. ihrer Komponenten nicht oder zumindest nicht wesentlich von einer Gehäusetemperatur abhängt, sodass auch eine Umgebung, in der die elektrische Schaltungseinrichtung eingesetzt wird, keinen oder nur einen vernachlässigbar geringen Einfluss auf die Temperaturen der Filtereinrichtung bzw. ihrer Komponenten hat. Insbesondere die Bauteilkörper der Komponenten der Filtereinrichtung können dabei beispielsweise über einen Spalt von einem Gehäuse der Schaltungseinrichtung beabstandet sein. Vorteilhaft kann somit insbesondere auf das Anordnen eines thermisch leitfähigen Materials, wie eines Gap Fillers oder eines Gap Pads, zwischen der Komponente und dem Gehäuse verzichtet werden, wodurch die Montage der elektrischen Schaltungseinrichtung vereinfacht werden kann.
Der Verzicht auf eine thermische Anbindung von Komponenten der Filtereinrichtung an ein Gehäuse der Schaltungseinrichtung ermöglicht weiterhin einen flexiblen Einsatz der elektrischen Schaltungseinrichtung, beispielsweise in unterschiedlich ausgebildeten elektrischen Achsen bzw. in unterschiedlich ausgebildeten Kraftfahrzeugen. Durch die Anordnung der wenigstens einen Stromschiene an dem Kühlkörper kann eine zuverlässige Kühlung der Stromschiene erreicht werden, da die Temperatur eines zur Kühlung der Leistungselektronik-Moduls eingesetzten Kühlerkörpers während des Betriebs der Schaltungseinrichtung in der Regel deutlich unterhalb einer Temperatur eines Gehäuses der Schaltungseinrichtung liegen kann.
Die thermische Anbindung der Stromschiene an den Kühlkörper kann beispielsweise durch einen unmittelbaren Kontakt der Stromschiene mit einer Oberfläche des Kühlkörpers erfolgen. Auch ein mittelbarer Kontakt, bei dem die Stromschiene beispielsweise über eine Zwischenschicht, welche insbesondere thermisch leitfähig und elektrisch isolierend ist, mit der Oberfläche des Kühlkörpers verbunden ist, ist möglich. Als Zwischenschicht kann dabei zum Beispiel eine Wärmeleitpaste, ein Gap Filler, ein Gap Pad oder ähnliches verwendet werden. Das Leistungselektronik-Modul kann ebenfalls unmittelbar oder über eine Zwischenschicht mit der Oberfläche des Kühlkörpers verbunden sein.
Die Stromschiene kann zum Beispiel an der Seitenfläche des Kühlkörpers angeordnet sein, an der auch das wenigstens eine Leistungselektronik-Modul angeordnet ist. Vorteilhaft ermöglicht es eine solche Ausgestaltung, dass der Kühlkörper für die zusätzliche Kühlung der wenigstens einen Stromschiene lediglich etwas länger ausgeführt zu werden braucht, um neben dem wenigsten einen Leistungselektronik-Modul auch die wenigstens eine Stromschiene thermisch an den Kühlkörper anzubinden. Neben der Anbindung des wenigstens einen Leistungselektronik-Moduls und der wenigstens einen Stromschiene an derselben Seitenfläche ist auch eine Anbindung an unterschiedlichen Seitenflächen bzw. unterschiedlich ausgerichteten Abschnitten der Oberfläche des Kühlkörpers möglich.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Filtereinrichtung wenigstens einen mit der Stromschiene verbundenen Kondensator und/oder wenigstens ein mit der Stromschiene gekoppeltes Induktivitätselement, insbesondere einen Ferrit-Kern, aufweist. Die Filtereinrichtung kann insbesondere mehrere, unterschiedlich ausgebildete Komponenten, beispielsweise eine Kombination von einem oder mehreren Kondensatoren und/oder einem oder mehreren Induktivitätselementen, aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Filtereinrichtung wenigstens eine Gleichtaktdrossel, wenigstens einen Gleichtaktkondensator und/oder wenigstens einen Gegentaktkondensator umfasst. Als Gleichtaktdrossel kann dabei ein die Stromschiene umgebendes Induktivitätselement wie ein Ferrit-Kern verwendet werden.
Ein Kondensator der Filtereinrichtung kann z. B. als Gleichtaktkondensator bzw. C_y-Kondensator ausgeführt sein. Dabei kann der Kondensator beispielsweise mit einem Ende mit der Stromschiene und mit dem anderen Ende mit einem Masseanschluss, beispielsweise einen auf einem massepotenzialliegenden Gehäuse der elektrischen Schaltungseinrichtung, verbunden sein. Ein als Gegentaktkondensator bzw. C_x-Kondensator ausgebildeter Kondensator kann beispielsweise bei der Verwendung von zwei Stromschienen zwischen diese geschaltet sein. Der Gegentaktkondensator kann dabei weiterhin eine parasitäre Induktivität aufweisen, welche ein zielgerichtetes Beeinflussen seiner Impedanz bei der Filterung von hochfrequenten Gegentaktstörungen ermöglicht.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Filtereinrichtung ein an dem Anschluss angeordnetes und/oder den Anschluss umgebendes Induktivitätselement aufweist. Das Induktivitätselement kann dabei beispielsweise als eine Gleichtaktdrossel bzw. als ein Kern zur Filterung von Gleichtaktstörungen ausgebildet sein und als Common Mode-Kern bezeichnet werden. Beispielsweise ist eine Ausführung des Induktivitätselements als Ferrit-Kern möglich.
Durch das Anordnen des Induktivitätselements an dem Anschluss bzw. um den Anschluss wird es ermöglicht, eine Störeinkopplung aus dem Leistungselektronik-Modul in eine an dem Anschluss angeschlossene Schaltung bzw. ein an dem Anschluss angeordnetes Teilnetz, zum Beispiel ein Gleichspannungs-Teilnetz, zu vermeiden, da das um den Anschluss angeordnete Induktivitätselement einen hohen Abstand von der Leistungselektronik-Schaltung bzw. dem wenigstens einen Leistungselektronik-Modul einhalten kann. Vorteilhaft wird somit ermöglicht, dass der Strom auf den Stromschienen, welche insbesondere auf einer Gleichstromseite der Leistungselektronik-Schaltung liegt, vor Verlassen der elektrischen Schaltungseinrichtung gefiltert wird und insbesondere auch durch den Kühlkörper eingekoppelte Störungen gefiltert werden können.
Die räumliche Nähe des Induktivitätselements zu dem Anschluss verhindert dabei insbesondere ein Übertragen von Störungen, welche in eine weitere Filterstufe bzw. einen mit weiteren Komponenten der Filtereinrichtung verbundenen Abschnitt zwischen dem Induktivitätselement an dem Anschluss und der Leistungselektronik-Schaltung einkoppeln können. Das Induktivitätselement kann dazu insbesondere derart angeordnet sein, dass es den Anschluss umgibt, insbesondere dass es den Anschluss zumindest teilweise umgreift bzw. umschließt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Stromschiene wenigstens über 50% ihrer Länge thermisch an dem Kühlkörper angebunden ist. Auf dieser Weise wird ein guter Wärmeübergang zwischen der Stromschiene und dem Kühlkörper und somit eine gute Entwärmung der Stromschiene erreicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlkörper einen oder mehrere, sich im Inneren des Kühlkörpers erstreckende Kühlkanäle aufweist. Auf diese Weise wird eine effiziente Abfuhr auch größerer Mengen von Wärme aus dem Kühlkörper bzw. den mit dem Kühlkörper verbundenen Teilen der Leistungselektronik-Schaltung ermöglicht. Der Kühlkörper kann einen oder mehrere Anschlüsse umfassen, mit denen der Kühlkanal an einen Kühlkreislauf anschließbar ist.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Anschluss mit der Leistungselektronik-Schaltung über zwei Stromschienen verbunden ist, wobei die Stromschienen an dem Kühlkörper nebeneinander oder übereinander angeordnet sind. Die Stromschienen können insbesondere eine Verbindung eines Gleichstromkreises mit der Leistungselektronik-Schaltung herstellen, sodass wenigstens zwei Stromschienen benötigt werden. Diese können parallel zueinander, insbesondere unter Ausbildung eines ausreichenden Sicherheitsabstands, an einer Oberfläche bzw. Seitenfläche des Kühlkörpers verlaufen und dabei nebeneinander oder übereinander angeordnet sein.
Nebeneinander angeordnete Stromschienen können an einer Seitenfläche des Kühlkörpers jeweils in direktem Kontakt oder mittelbar über eine Zwischenschicht an dem Kühlkörper angeordnet sein. Übereinander angeordnete Stromschienen können insbesondere derart angeordnet sein, dass eine erste Stromschiene indirekt oder mittelbar in Kontakt mit dem Kühlkörper ist, wobei die zweite Stromschiene an der dem Kühlkörper gegenüberliegenden Seite der ersten Stromschiene angeordnet und mit der ersten Stromschiene thermisch gekoppelt ist.
Dabei kann zwischen der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene wenigstens eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Zwischenschicht vorgesehen sein, welche einen Wärmeübergang von der zweiten Stromschiene in die erste Stromschiene und somit in den Kühlkörper sowie eine elektrische Isolation zwischen den beiden Stromschienen ermöglicht. Die Zwischenschicht kann beispielsweise als thermisch leitfähiges Isolationselement, als eine Schicht aus Wärmeleitpaste, als Gap Filler, als Gap Pad oder ähnliches ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Leistungselektronik-Schaltung einen Zwischenkreiskondensator umfasst, wobei die Stromschienen mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden sind. Der Zwischenkreiskondensator kann insbesondere ebenfalls an dem Kühlkörper angeordnet sein, sodass auch eine Kühlung des Zwischenkreiskondensators über den Kühlkörper möglich ist. Der Zwischenkreiskondensator kann dabei ebenfalls zur Filterung von Störungen, insbesondere von Gegentaktstörungen, dienen.
Die Anbindung des Zwischenkreiskondensators an die Leistungsschaltung erfolgt bevorzugt so niederinduktiv wie möglich, sodass die Schaltvorgänge der Leistungselektronik-Module der Leistungselektronik-Schaltung keine oder zumindest nur geringe Schalttransienten hervorrufen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine hohe Schaltgeschwindigkeit in den Leistungselektronik-Modulen bzw. der Leistungselektronik-Schaltung.
Die Leistungselektronik-Schaltung kann erfindungsgemäß als ein Inverter, insbesondere als ein mehrphasiger Pulswechselrichter, ausgeführt sein. Dazu kann die Leistungselektronik-Schaltung ein oder mehrere Leistungselektronik-Module, beispielsweise drei als Halbbücken ausgebildete Leistungselektronik-Module, umfassen. Die Leistungselektronik-Module können jeweils ein oder mehrere Schaltelemente aufweisen. Dabei können als Halbbrücken ausgebildete Leistungselektronik-Module zwei in Reihe geschaltete, jeweils als Transistor ausgebildete Schaltelemente umfassen. Die Gleichstromseite der Leistungselektronik-Schaltung ist dabei über die wenigstens eine Stromschiene mit dem Anschluss verbunden. An der Wechselstromseite können ein oder mehrere Anschlüsse vorgesehen sein, über die die Leistungselektronik-Schaltung mit einer weiteren Einrichtung, insbesondere einer elektrischen Maschine, verbunden werden kann.
Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung umfasst. Die elektrische Schaltungseinrichtung kann dabei insbesondere einen Traktionswechselrichter des Kraftfahrzeugs bilden, über den ein Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs bestrombar ist. Die elektrische Schaltungseinrichtung kann dazu sowohl mit der elektrischen Maschine als auch mit einer Energiequelle, beispielsweise eine Gleichstromenergiequelle wie einer Traktionsbatterie oder einer Brennstoffzelle, verbunden sein. Auch eine Ausbildung der Energiequelle als mit einem Wechselstromnetzwerk verbundener oder verbindbarer Gleichrichter ist möglich.
Sämtliche vorrangehend in Bezug zu der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungseinrichtung beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und umgekehrt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
2 ein Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungseinrichtung, und
3 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungseinrichtung.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein Bordnetz 2 mit einer elektrischen Schaltungseinrichtung 3, welche zwischen eine elektrische Maschine 4 und einen Energiespeicher 5 des Kraftfahrzeugs 1 geschaltet ist. Die elektrische Maschine 4 bildet dabei einen Traktionselektromotor des Kraftfahrzeugs 1.
Die elektrische Schaltungseinrichtung 3 ist als ein Inverter ausgeführt, sodass ein an dem Energiespeicher 5 entnommener Gleichstrom in einen insbesondere mehrphasigen Wechselstrom zum Bestromen der elektrischen Maschine 4 gewandelt werden kann. Umgekehrt kann durch die elektrische Schaltungseinrichtung 3 auch eine Gleichrichtung eines in einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 4 erzeugten Wechselstroms vorgenommen werden, beispielsweise in einem Rekupurationsbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 zum Laden des Energiespeichers 5. Der Energiespeicher 5 kann beispielsweise als eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs 1 ausgeführt sein. Alternativ ist auch eine Ausführung des Energiespeichers 5 als Brennstoffzelle oder als mit einem Wechselstromnetzwerk verbundener oder verbindbarer Gleichrichter möglich.
Die elektrische Schaltungseinrichtung 3 kann zum Beispiel als ein dreiphasiger Pulswechselrichter ausgebildet sein, bei dessen Betrieb elektrische Störungen entstehen können. Die elektrische Schaltungseinrichtung 3 umfasst daher eine Filtereinrichtung 6, mit welcher im Betrieb der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 auf der Gleichstromseite der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 auftretende Störungen gefiltert werden können. Die Filtereinrichtung 6 trägt somit dazu bei, dass die Wechselstrombelastung in dem Gleichstrom-Teilnetz des Bordnetzes 2 reduziert werden kann.
In 2 ist ein Schaltplan eines Ausführungsbeispiels der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 dargestellt. Die Schaltungseinrichtung 3 umfasst die Filtereinrichtung 6, eine drei Leistungselektronik-Module 7, 8, 9 umfassende Leistungselektronik-Schaltung 14 sowie zwei Stromschienen 10, 11. Die Leistungselektronik-Module 7, 8, 9 der Leistungselektronik-Schaltung 14 umfassen jeweils zwei Schaltelemente S₁-S₆, welche innerhalb eines Leistungselektronik-Moduls 7, 8, 9 in Form einer Halbbrücke verschaltet sind. Die Schaltelemente S₁-S₆ sind zum Beispiel als Transistoren ausgeführt. Parallel zu jedem der Schaltelemente S₁-S₆ ist eine Freilaufdiode D₁-D₆ geschaltet, um auch eine Gleichrichtung eines Wechselstroms in einem Freilaufbetrieb der mit den Brückenpunkten der Halbbrücken verbundenen elektrischen Maschine 4 zu ermöglichen.
Die mit HV+ und HV- gekennzeichneten Anschlüsse auf der Gleichstromseite der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 sind mit einem Anschluss 13 (hier nicht dargestellt) der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 verbunden. Über den Anschluss 13 ist die elektrische Schaltungseinrichtung 3 mit dem Energiespeicher 5 verbunden. Die Verbindung der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 mit dem Energiespeicher 5 kann beispielsweise über eine oder mehrere weitere Stromschienen und/oder über ein oder mehrere Kabel erfolgen. Die Filtereinrichtung 6 umfasst mehrere Komponenten, welche als Kondensatoren bzw. als Induktivitätselemente ausgebildet sind und welche verschiedene Filterstufen der Filtereinrichtung 6 bilden.
Zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen (Common Mode-Störungen) umfasst die Filtereinrichtung 6 eine Gleichtaktdrossel L_cm, welche um die Stromschienen 10, 11 angeordnet ist. Die Gleichtaktdrossel L_cm, kann zum Beispiel als ein Ferrit-Kern ausgebildet sein, welcher die Stromschienen 10, 11 umgreift.
Zur Filterung von Gleichtaktstörungen ist weiterhin ein Gleichtaktkondensator C_x vorgesehen, welcher zwischen die Stromschienen 10, 11 geschaltet ist. Der Gleichtaktkondensator C_x dient insbesondere zur Filterung von hochfrequenten Gleichtaktstörungen, da niederfrequente Gleichtaktstörungen insbesondere über einen Zwischenkreiskondensator C_zk der Leistungselektronik-Schaltung 3 gefiltert werden können. Weiterhin umfasst die Filtereinrichtung 6 zwei Kondensatoren C_y zur Filterung von Gegentaktstörungen (Differential-Mode Störungen). Die Kondensatoren C_y sind dabei jeweils zwischen eine der Stromschienen 10, 11 und ein Massepotential geschaltet.
In 3 ist eine perspektivische Ansicht der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 dargestellt. Die elektrische Schaltungseinrichtung 3 umfasst einen Kühlkörper 12 sowie den Anschluss 13. Der Anschluss 13 ist dabei als ein DC-Stecker ausgeführt und bildet den Gleichstrom-Anschluss der elektrischen Schaltungseinrichtung 3, der zum Verbinden der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 mit dem Energiespeicher 5 dient. Der Anschluss 13 ist über die Stromschienen 10, 11 mit der Leistungselektronik-Schaltung 14 verbunden. Die Stromschienen 10, 11 sind aus einem leitfähigen Metall, beispielsweise aus Kupfer oder als aus Aluminium, ausgeführt und können auch als Busbars bezeichnet werden. Vorliegend erfolgt die Verbindung des Anschlusses 13 über die Stromschienen 10, 11 mit dem Zwischenkreiskondensator C_zk der Leistungselektronik-Schaltung 14.
Dabei sind die Stromschienen 10, 11 jeweils über einen Abschnitt 15 ihrer Länge thermisch mit einem ersten Abschnitt 16 einer Oberfläche 17 des Kühlkörpers 12 thermisch gekoppelt. Die Leistungselektronik-Module 7, 8, 9 sind mit einem zweiten Abschnitt 18 der Oberfläche 17 des Kühlkörpers 12 thermisch gekoppelt. Der Zwischenkreiskondensator C_zk ist ebenfalls mit dem Kühlkörper 12 thermisch gekoppelt, wobei vorliegend die Kopplung an einer an die Abschnitte 16, 18 angrenzenden Seitenfläche des Kühlkörpers 12 erfolgt.
Es ist möglich, dass die Oberfläche 17 des Kühlkörpers 12 einen oder mehrere weitere Abschnitte 18 aufweist, in denen wie schematisch dargestellt ist eine oder mehrere weitere Komponenten 19 der elektrischen Schaltungsanordnung 14, beispielsweise Sensoren, Steuerschaltungen oder ähnliches, angeordnet werden können. Der Abschnitt 16 und die weiteren Abschnitte 18 liegen dabei an derselben Seitenfläche des Kühlkörpers 12.
Der Kühlkörper 12 kann einen oder mehrere, sich im Inneren des Kühlkörpers 12 erstreckende Kühlkanäle (hier nicht dargestellt) umfassen. Dies ermöglicht beispielsweise einen Anschluss des Kühlkörpers 12 an einen Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs 1, sodass mit Hilfe eines insbesondere flüssigen Kühlmediums eine aktive Kühlung der am Kühlkörper 12 angeordneten Komponenten erfolgen kann.
Durch die Anordnung der Stromschienen 10, 11 derart, dass diese mit wenigstens einem Abschnitt 15 ihrer Länge thermisch mit dem Kühlkörper 12 gekoppelt sind, wird eine Kühlung der Stromschienen 10, 11 über den Kühlkörper 12 ermöglicht. Um eine gute Entwärmung der Stromschienen 10, 11 zu ermöglichen, kann die Länge des Abschnitts 15 bevorzugt jeweils wenigstens 50 % der Länge der jeweiligen Stromschiene 10, 11 entsprechen.
Auch die Komponenten der Filtereinrichtung 6, beispielsweise die dargestellten Gleichtaktkondensatoren C_y, werden auf diese Weise gekühlt, da der Wärmeeintrag in die Kondensatoren C_y über die Stromschienen 10, 11 reduziert wird. Dies gilt auch für weitere Komponenten der Filtereinrichtung 6, beispielsweise den schematisch eingezeichneten Gegentaktkondensator C_x sowie gegebenenfalls vorhandene weitere Kondensatoren und/oder Induktivitätselemente wie Spulen und/oder Ferrit-Kerne der Filtereinrichtung 6.
Als Gleichtaktdrossel L_cm umfasst die Filtereinrichtung 6 weiterhin ein Induktivitätselement 20, welches den Anschluss 13 umgibt. Der Anschluss 13 wird dabei zumindest teilweise von dem eine Öffnung aufweisenden Induktivitätselement 20 umgeben, wobei der Anschluss 13 innerhalb der Öffnung des Induktivitätselements 20 angeordnet ist. Die räumlich nahe Anordnung des Induktivitätselements 20 an dem Anschluss 13 ermöglicht eine Filterung insbesondere von auf den Stromschienen 10, 11 eingekoppelten Störungen, welche durch die Funktion der Leistungselektronik-Module 7, 8, 9 entstehen. Diese Störungen können insbesondere auch im Bereich der weiteren Filterstufen der Filtereinrichtung 6, also dem Kondensator C_x bzw. den Kondensatoren C_y, einkoppeln, sodass sie vorteilhaft vor Verlassen der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 durch das den Anschluss 13 umgebende Induktivitätselement 20 gefiltert werden können. Alternativ zu einer Anordnung des Induktivitätselements 20 um den Anschluss 13 ist auch eine Anordnung unmittelbar an bzw. hinter dem Anschluss 13 möglich.
Die Stromschienen 10, 11 sind an dem Kühlkörper 12 übereinander angeordnet. Dabei kann die erste Stromschiene 10, welche zwischen der Oberfläche 17 des Kühlkörpers 12 und der zweiten Stromschiene 11 angeordnet ist, unmittelbar an dem Kühlkörper 12 anliegen. Alternativ ist auch eine Anordnung einer Zwischenschicht zwischen der ersten Stromschiene 10 und der Oberfläche 17 des Kühlkörpers 12 möglich. Die Zwischenschicht kann zum Beispiel eine Schicht aus einer Wärmeleitpaste, einem Gap Filler oder ein Gap-Pad sein.
Zwischen der Stromschiene 10 und der weiteren Stromschiene 11 ist ebenfalls eine Zwischenschicht angeordnet, welche als ein wärmeleitfähiges, elektrisch isolierendes Isolationselement 21 ausgebildet ist. Durch das Isolationselement 21 sind die Stromschienen 10, 11 gegeneinander elektrisch isoliert sind. Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des Isolationselements 21 kann auch eine Kühlung der gegenüberliegend zu dem Kühlkörper 12 an der Stromschiene 10 angeordneten, weiteren Stromschiene 11 erfolgen. Alternativ zu dem Isolationselement 21 kann auch eine Zwischenschicht aus einer Wärmeleitpaste, einem Gap-Filler oder einem Gap-Pad zwischen den Stromschienen 10, 11 angeordnet sein.
Alternativ zu einer Anordnung der Stromschienen 10, 11 übereinander an dem ersten Abschnitt 16 des Kühlkörpers 12 ist auch eine Anordnung der Stromschienen 10,11 nebeneinander möglich. Dabei können beide Stromschienen 10, 11 in einem unmittelbarem oder über eine Zwischenschicht in einem mittelbarem Kontakt mit der Oberfläche 17 des Kühlkörpers 12 stehen. Zwischen den Stromschienen 10, 11 kann dabei ein Spalt verbleiben, um eine ausreichende Kriechstrecke zwischen den Stromschienen 10, 11 zu gewährleisten.
Die Leistungselektronik-Schaltung 3 kann ein Gehäuse (nicht dargestellt) aufweisen, welches die in 3 dargestellten Komponenten der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 umgibt. Der Anschluss 13 kann dabei von außerhalb des Gehäuses zugängig sein, sodass eine Verbindung der Leistungselektronik-Schaltung 3, insbesondere mit dem Energiespeicher 5, möglich ist.
Aufgrund der Kühlung der Stromschienen 10, 11 durch die thermische Anbindung ihres Abschnitts 15, welcher insbesondere wenigstens 50% der Länge der Stromschienen 10, 11 entspricht, kann auf eine thermische Anbindung der Komponenten der Filtereinrichtung 6, bzw. eine thermische Anbindung der Bauteilkörper der Komponenten der Filtereinrichtung 6, mit dem Gehäuse verzichtet werden. Dies erleichtert die Montage der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 und bewirkt insbesondere, dass die Temperaturen der Komponenten der Filtereinrichtung 6 nicht oder zumindest nicht wesentlich von einer Temperatur des Gehäuses bzw. eine Umgebung der elektrischen Schaltungseinrichtung 3 abhängen. Ferner kann durch die Kühlung der Stromschienen 10, 11 auf das Verwenden von speziellen Hochtemperaturbauteilen als Komponenten der Filtereinrichtung 6 verzichtet werden.
Es ist möglich, dass die Stromschienen 10, 11 und/oder die Leistungselektronik-Module 7, 8, 9 an Abschnitten 16, 18 angeordnet sind, welche an unterschiedlichen Seitenflächen des Kühlkörpers 12 liegen. Beispielsweise können die Stromschienen 10, 11 auch an einer den Leistungselektronik-Modulen 7, 8, 9 gegenüberliegenden Seitenfläche des Kühlkörpers 12 angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018208308 A1 [0005]
DE 102017222024 A1 [0006]
DE 102017113556 B3 [0007]

Claims

Elektrische Schaltungseinrichtung umfassend eine Leistungselektronik-Schaltung (14) mit wenigstens einem Leistungselektronik-Modul (7, 8, 9), eine Filtereinrichtung (6), einen Kühlkörper (12), einen Anschluss (13) und wenigstens eine Stromschiene (10, 11), wobei die Filtereinrichtung (6) zumindest teilweise mit der Stromschiene (10, 11) gekoppelt ist und die Stromschiene (10, 11) den Anschluss (13) mit der Leistungselektronik-Schaltung (14) elektrisch verbindet, wobei das Leistungselektronik-Modul (7, 8, 9) und wenigstens ein Abschnitt (15) der Stromschiene (10, 11) thermisch an den Kühlkörper (12) angebunden sind.
Elektrische Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (6) wenigstens einen mit der Stromschiene (10, 11) verbundenen Kondensator und/oder wenigstens eine mit der Stromschiene (10, 11) gekoppeltes Induktivitätselement (20), insbesondere einen Ferrit-Kern, aufweist.
Elektrische Schaltungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (6) wenigstens eine Gleichtaktdrossel (L_cm), wenigstens einen Gleichtaktkondensator (C_y) und/oder wenigstens einen Gegentaktkondensator (C_x) umfasst.
Elektrische Schaltungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (6) ein an dem Anschluss (13) angeordnetes und/oder den Anschluss (13) umgebendes Induktivitätselement (20) aufweist.
Elektrische Schaltungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (10, 11) wenigstens über 50% ihrer Länge thermisch an dem Kühlkörper (12) angebunden ist.
Elektrische Schaltungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (13) mit der Leistungselektronik-Schaltung (14) über zwei Stromschienen (10, 11) verbunden ist, wobei die Stromschienen (10, 11) an dem Kühlkörper (12) nebeneinander oder übereinander angeordnet sind.
Elektrische Schaltungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Schaltung (14) einen Zwischenkreiskondensator (C_zk) umfasst, wobei die Stromschienen (10, 11) mit dem Zwischenkreiskondensator (C_zk) verbunden sind.
Elektrische Schaltungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (12) einen oder mehrere, sich im Inneren des Kühlkörpers (12) erstreckende Kühlkanäle aufweist.
Elektrische Schaltungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Schaltung (14) als ein Inverter, insbesondere als ein mehrphasiger Pulswechselrichter, ausgeführt ist.
Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Schaltungseinrichtung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche.