DE102021208350A1 - AC busbar support for inverters for operating an electric drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle, inverter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen AC-Stromschienenträger (10) für einen Inverter zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, wobei der Inverter mehrere Halbleiterschaltelemente umfasst, die dazu dienen, mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente einen eingangsseitigen DC-Strom in einen ausgangsseitigen mehrphasigen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen umzuwandeln, wobei der AC-Stromschienenträger (10) einen aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeten Trägerkörper (14) und mehrere AC-Stromschienen (12A-C) aufweist, die zum Leiten der jeweiligen Phasenströme im Trägerkörper (14) angeordnet sind, wobei ein Stromsensor (16), der an einer Leiterplatte (22) des Inverters befestigt ist, zum Erfassen des in einer der AC-Stromschienen (12A-C) fließenden Phasenstroms derart am Trägerkörper (14) angeordnet ist, dass ein Abstand zwischen einer der AC-Stromschiene (12A-C) zugewandten Seitenfläche (162) des Stromsensors (16) und derAC-Stromschiene (12A-C) maximal 1,5 Millimeter, vorzugsweise maximal 0.5 Millimeter, weiter vorzugsweise maximal 0.1 Millimeter beträgt.The invention relates to an AC busbar support (10) for an inverter for operating an electric drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, the inverter comprising a plurality of semiconductor switching elements which are used to convert an input-side DC current into an output-side DC current by switching the semiconductor switching elements multi-phase AC current with multiple phase currents, wherein the AC busbar support (10) has a support body (14) formed from an electrically insulating material and a plurality of AC busbars (12A-C) which are used for conducting the respective phase currents in the support body (14 ) are arranged, wherein a current sensor (16), which is attached to a printed circuit board (22) of the inverter, for detecting the phase current flowing in one of the AC busbars (12A-C) is arranged on the carrier body (14) such that a Distance between a side face (162) of the current sensor (16) facing the AC busbar (12A-C) and the AC bus rail (12A-C) is a maximum of 1.5 millimeters, preferably a maximum of 0.5 millimeters, more preferably a maximum of 0.1 millimeters.
Description
Die Erfindung betrifft einen AC-Stromschienenträger für Inverter zum Betreiben eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen entsprechenden Inverter.The invention relates to an AC busbar support for inverters for operating an electric drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle according to the preamble of claim 1 and a corresponding inverter.
Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Inverter geschaltet.Purely electric vehicles and hybrid vehicles are known in the prior art, which are driven exclusively or in support of one or more electric machines as drive units. In order to supply the electric machines of such electric vehicles or hybrid vehicles with electric energy, the electric vehicles and hybrid vehicles include electric energy stores, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as DC voltage sources, but the electrical machines usually require an AC voltage. Therefore, power electronics with a so-called inverter are usually connected between a battery and an electric machine of an electric vehicle or a hybrid vehicle.
Derartige Inverter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente in unterschiedlichen Integrationsgraden bereitzustellen, nämlich entweder als diskrete Einzelschalter mit einem geringen Integrationsgrad, jedoch hoher Skalierbarkeit, als Leistungsmodule mit einem hohen Integrationsgrad, jedoch geringer Skalierbarkeit, sowie als Halbbrücken, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltern und Halbbrücken rangieren.Such inverters typically include semiconductor switching elements typically formed of transistors. It is known to provide the semiconductor switching elements in different degrees of integration, namely either as discrete individual switches with a low degree of integration but high scalability, as power modules with a high degree of integration but low scalability, and as half-bridges, which in terms of degree of integration and scalability between individual switches and half-bridges rank
Aufgrund des inneren elektrischen Widerstandes der im Inverter integrierten Stromleitungen wird im Betrieb des Inverters Wärme erzeugt, die bei steigender Stromstärke zunimmt. Um die Halbleiterschaltelemente und weitere stromtragende elektronische Bauteile im Inverter vor einer Überbeaufschlagung mit Strom sowie einer damit einhergehenden Überhitzung zu schützen, wird eine Strommessung für die einzelnen Stromphasen durchgeführt. Insbesondere soll hierdurch eine Überschreitung eines maximalen Betriebsstroms, welcher eine charakteristische Größe der Halbleiterschaltelemente ist, vermieden werden. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Invertern werden Stromsensoren zwecks Erfassung der mittels der Halbleiterschaltelemente erzeugten AC-Phasenströme eingesetzt.Due to the internal electrical resistance of the power lines integrated in the inverter, heat is generated during operation of the inverter, which increases with increasing current strength. In order to protect the semiconductor switching elements and other current-carrying electronic components in the inverter from excessive current and the associated overheating, a current measurement is carried out for the individual current phases. In particular, this is intended to prevent a maximum operating current, which is a characteristic variable of the semiconductor switching elements, from being exceeded. In the inverters known from the prior art, current sensors are used for the purpose of detecting the AC phase currents generated by means of the semiconductor switching elements.
Dennoch ist bei den bekannten Invertern eine Potentialtrennung zwischen den Stromsensoren und anderen potentialbehafteten Bauteilen im Inverter nicht hinreichend gewährleistet. Auch ist die Stromerfassung hinsichtlich Genauigkeit begrenzt, da die Stromsensoren oft nicht nah genug an den AC-Stromleitungen angeordnet sind. Außerdem ist die Befestigung des Stromsensors im Inverter häufig nicht hinreichend stabil, sodass Vibrationen aus der Umgebung des Stromsensors zu einer zusätzlichen Reduzierung der Messgenauigkeit führen.Nevertheless, in the case of the known inverters, a potential separation between the current sensors and other potential-bearing components in the inverter is not sufficiently guaranteed. Also, current sensing is limited in accuracy because current sensors are often not placed close enough to the AC power lines. In addition, the attachment of the current sensor in the inverter is often not sufficiently stable, so that vibrations from the area around the current sensor lead to an additional reduction in the measurement accuracy.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen AC-Stromschienenträger bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.It is an object of the invention to provide an AC bus bar support in order to at least partially eliminate the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den AC-Stromschienenträger und den Inverter gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.According to the invention, this object is achieved by the AC busbar support and the inverter according to the independent patent claims. Advantageous refinements and developments of the invention emerge from the dependent patent claims.
Die Erfindung betrifft einen AC-Stromschienenträger, der für einen Inverter zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug verwendet wird. Der Inverter umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente, die dazu ausgebildet sind, mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente einen eingangsseitigen DC-Strom in einen ausgangsseitigen mehrphasigen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen umzuwandeln. Mehrere DC-Leistungsanschlüsse (insbesondere positive und negative DC-Leistungsanschlüsse) sind zum Einspeisen der DC-Leistung, die eingangsseitig mittels einer Batterie erzeugt wird, am Inverter angebracht. Gleichzeitig sind mehrere AC-Leistungsanschlüsse zum Abgeben der mittels der Halbleiterschaltelemente erzeugten AC-Leistung vorgesehen. Der AC-Stromschienenträger verbindet die AC-Leistungsanschlüsse und den elektrischen Antrieb, beispielsweise den zu bestromenden Elektromotor. Hierzu sind mehrere AC-Stromschienen zum Leiten der jeweiligen Phasenströme angeordnet, sodass jede AC-Stromschiene einem bestimmten AC-Leistungsanschluss sowie einem bestimmten Phasenstrom fest zugeordnet ist. Die AC-Stromschienen sind in einem Trägerkörper des AC-Stromschienenträgers integriert. Der Trägerkörper ist aus einem elektrisch isolierenden Material, etwa Kunststoff, gebildet. Vorzugsweise entsteht der Trägerkörper mittels Umspritzens der AC-Stromschienen mit einem kunststoffbasierten Spritzgussmaterial.The invention relates to an AC busbar support used for an inverter for operating an electric drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle. The inverter includes a plurality of semiconductor switching elements which are designed to convert an input-side DC current into an output-side multi-phase AC current with a plurality of phase currents by switching the semiconductor switching elements. A plurality of DC power terminals (particularly positive and negative DC power terminals) are attached to the inverter for feeding the DC power generated by a battery on the input side. At the same time, a number of AC power connections are provided for delivering the AC power generated by means of the semiconductor switching elements. The AC busbar support connects the AC power connections and the electric drive, for example the electric motor to be powered. For this purpose, several AC busbars are arranged for conducting the respective phase currents, so that each AC busbar is permanently assigned to a specific AC power connection and a specific phase current. The AC busbars are integrated in a support body of the AC busbar support. The carrier body is formed from an electrically insulating material, such as plastic. The carrier body is preferably created by overmolding the AC busbars with a plastic-based injection molding material.
Im Inverter ist ferner eine Leiterplatte vorgesehen, die mit elektronischen Bauteilen zum Steuern der Halbleiterschaltelemente bestückt ist. Ein Stromsensor zum Erfassen der Phasenströme ist im AC-Stromschienenträger integriert. Hierbei ist der Stromsensor einerseits an der Leiterplatte des Inverters befestigt, und andererseits zum Erfassen des in einer der AC-Stromschienen fließenden Phasenstroms derart am Trägerkörper angeordnet, dass ein Abstand zwischen einer der AC-Stromschiene zugewandten Seitenfläche des Stromsensors und der AC-Stromschiene maximal 1,5 Millimeter, vorzugsweise maximal 0.5 Millimeter, weiter vorzugsweise maximal 0.1 Millimeter beträgt.A printed circuit board is also provided in the inverter, which is equipped with electronic components for controlling the semiconductor switching elements. A current sensor for detecting the phase currents is integrated in the AC busbar support. Here, the current sensor is attached to the circuit board of the inverter on the one hand, and on the other hand to detect the phase current flowing in one of the AC busbars Roms arranged on the carrier body in such a way that a distance between a side surface of the current sensor facing the AC busbar and the AC busbar is a maximum of 1.5 millimeters, preferably a maximum of 0.5 millimeters, more preferably a maximum of 0.1 millimeters.
Auf diese Weise ist eine sichere Befestigung des Stromsensors im Inverter ermöglicht, bei der der Stromsensor von anderen potentialbehafteten Bauteilen des Inverters zuverlässig potentialgetrennt ist. Gleichzeitig ist eine mechanisch stabile Halterung des Stromsensors gegeben. Auch ist aufgrund des vergleichsweise reduzierten Abstands zwischen dem Stromsensor und der AC-Stromschiene eine besonders genaue Stromerfassung begünstigt.In this way, the current sensor can be securely fastened in the inverter, with the current sensor being reliably isolated from other components of the inverter that have potential. At the same time, the current sensor is mechanically stable. Due to the comparatively reduced distance between the current sensor and the AC busbar, a particularly accurate current detection is also favored.
Gemäß einer Ausführungsform ist auf einer der Leiterplatte zugewandten Oberseite des Trägerkörpers eine Ausnehmung zur Aufnahme des Stromsensors ausgebildet. Vorzugsweise ist die AC-Stromschiene unterhalb der Ausnehmung angeordnet, sodass die AC-Stromschiene zumindest teilweise die Ausnehmung vertikal überschneidet. Auf diese Weise ist ein verringerter Abstand zwischen dem Stromsensor und der AC-Stromschiene ermöglicht.According to one embodiment, a recess for accommodating the current sensor is formed on an upper side of the carrier body facing the printed circuit board. The AC busbar is preferably arranged below the cutout, so that the AC busbar at least partially vertically overlaps the cutout. This allows for a reduced distance between the current sensor and the AC busbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Seitenfläche des Stromsensors und der AC-Stromschiene ein Bodenteil der Ausnehmung angeordnet. According to a further embodiment, a base part of the recess is arranged between the side surface of the current sensor and the AC busbar.
Das Bodenteil ist Bestandteil des aus dem elektrisch isolierenden Material gebildeten Trägerkörpers. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Potentialtrennung zwischen dem Stromsensor und der AC-Stromschiene gewährleistet.The bottom part is part of the carrier body formed from the electrically insulating material. This ensures reliable electrical isolation between the current sensor and the AC busbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf einer der Leiterplatte zugewandten Oberseite des Trägerkörpers eine Isolationsfolie angeordnet. Die Isolationsfolie kann besonders dünn ausgebildet sein und sorgt für einen verringerten Abstand und gleichzeitig eine zuverlässige Potentialtrennung zwischen dem Stromsensor und der AC-Stromschiene.According to a further embodiment, an insulating film is arranged on a top side of the carrier body facing the printed circuit board. The insulating film can be made particularly thin and ensures a reduced distance and at the same time reliable electrical isolation between the current sensor and the AC busbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in der AC-Stromschiene eine Durchgangsöffnung zur Aufnahme des Stromsensors ausgebildet. Auf diese Weise kann der Stromsensor die Stromstärke des in der AC-Stromschiene vorhandenen Phasenstroms durch Erfassen der Magnetfeldstärke an nicht nur einem, sondern zwei Orten im Umfeld der AC-Stromschiene ermitteln. Dies erhöht die Genauigkeit der Strommessung.According to a further embodiment, a through-opening for accommodating the current sensor is formed in the AC busbar. In this way, the current sensor can determine the amperage of the phase current present in the AC busbar by detecting the magnetic field strength at not just one but two locations around the AC busbar. This increases the accuracy of the current measurement.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Trägerkörper einen Mantelvorsatz auf, der sich in die Durchgangsöffnung hineinerstreckt und den dort aufgenommenen Stromsensor umschließt. Dadurch, dass der Mantelvorsatz als Bestandteil des Trägerkörpers ebenfalls aus dem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, wird auf diese Weise eine zuverlässige Potentialtrennung zwischen dem Stromsensor und der AC-Stromschiene ermöglicht.According to a further embodiment, the carrier body has a jacket attachment which extends into the through-opening and encloses the current sensor accommodated there. The fact that the jacket attachment is also formed from the electrically insulating material as a component of the carrier body enables reliable potential isolation between the current sensor and the AC busbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Zwischenraum zwischen dem Stromsensor und einer Innenwand der Durchgangsöffnung vollständig durch den Mantelvorsatz gefüllt. Diese Maßnahme erhöht die Sicherheit der Potentialtrennung zwischen dem Stromsensor und der AC-Stromschiene.According to a further embodiment, an intermediate space between the current sensor and an inner wall of the through-opening is completely filled by the jacket attachment. This measure increases the safety of the electrical isolation between the current sensor and the AC busbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Mantelvorsatz derart an einer Innenwand der Durchgangsöffnung angebracht, dass der Stromsensor seitlich vom Mantelvorsatz beabstandet ist. Hierdurch kann der Abstand zwischen der Stromsensor und der AC-Stromschiene zusätzlich reduziert werden.According to a further embodiment, the casing attachment is attached to an inner wall of the through-opening in such a way that the current sensor is laterally spaced from the casing attachment. This allows the distance between the current sensor and the AC busbar to be further reduced.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf einer von der Leiterplatte abgewandten Unterseite des Trägerkörpers eine wärmeleitende Isolationsbeschichtung befestigt. Die Isolationsbeschichtung sorgt für eine elektrische Isolierung der gesamten AC-Stromschiene von anderen potentialbeaufschlagten Bauteilen des Inverters. Außerdem kann die AC-Stromschiene effektiv entwärmt werden.According to a further embodiment, a thermally conductive insulating coating is attached to an underside of the carrier body that faces away from the printed circuit board. The insulating coating provides electrical isolation of the entire AC busbar from other potential components of the inverter. In addition, the AC busbar can be effectively cooled.
Die Erfindung betrifft weiterhin den vorstehend beschriebenen Inverter mit einem solchen AC-Stromschienenträger. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen AC-Stromschienenträger beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Inverter.The invention further relates to the inverter described above with such an AC busbar support. This results in the advantages already described in connection with the AC busbar support according to the invention for the inverter according to the invention as well.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention is explained below by way of example using the embodiments shown in the figures.
Es zeigen:
-
1 beispielhaft und schematisch einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen AC-Stromschienenträger für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs in Perspektivansicht inklusive eines Teilausschnittes einer Leiterplatte; -
2 den erfindungsgemäßen AC-Stromschienenträger aus1 in einer weiteren Perspektivansicht; -
3 den erfindungsgemäßen AC-Stromschienenträger aus1 in einer seitlichen Schnittansicht; -
4 eine schematische Darstellung des AC-Stromschienenträgers gemäß einer weiteren Ausführungsform; -
5 eine schematische Darstellung des AC-Stromschienenträgers gemäß einer weiteren Ausführungsform; -
6 eine schematische Darstellung des AC-Stromschienenträgers gemäß einer weiteren Ausführungsform; -
7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen des AC-Stromschienenträgers aus6 ; -
8 eine schematische Darstellung des AC-Stromschienenträgers gemäß einer weiteren Ausführungsform; -
9 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen des AC-Stromschienenträgers aus8 .
-
1 as an example and schematically a possible structure of an AC busbar support according to the invention for an electric drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle in a perspective view including a partial section of a printed circuit board; -
2 the AC busbar support according to the invention1 in another perspective view; -
3 the AC busbar support according to the invention1 in a side sectional view; -
4 a schematic representation of the AC busbar support according to a further embodiment; -
5 a schematic representation of the AC busbar support according to a further embodiment; -
6 a schematic representation of the AC busbar support according to a further embodiment; -
7 a schematic representation of a method for manufacturing the AC busbar support6 ; -
8th a schematic representation of the AC busbar support according to a further embodiment; -
9 a schematic representation of a method for manufacturing the AC busbar support8th .
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.Identical objects, functional units and comparable components are denoted by the same reference symbols across the figures. These objects, functional units and comparable components are designed to be identical in terms of their technical features, unless the description explicitly or implicitly states otherwise.
Der AC-Stromschienenträger 10 verbindet die AC-Leistungsanschlüsse und den elektrischen Antrieb, beispielsweise den zu bestromenden Elektromotor. Hierzu sind mehrere AC-Stromschienen 12A-C zum Leiten der jeweiligen Phasenströme angeordnet, sodass jede AC-Stromschiene 12A-C einem bestimmten AC-Leistungsanschluss sowie einem bestimmten Phasenstrom fest zugeordnet ist. Wie in
Wie in der Perspektivansicht in
Auf einer Oberfläche jeder Flügel 19A-C ist eine Ausnehmung 17 zum Platzieren eines Stromsensors 16 vorgesehen. Der Stromsensor 16 dient zum Erfassen der in den AC-Stromschienen 12A-C fließenden Phasenströme. Der Stromsensor 16 ist in einer seitlichen Schnittansicht in
Wie in
Die beiden Ausführungsformen in
Bei der in
Im Unterschied zur Ausführungsform aus
BezugszeichenlisteReference List
- 10, 10A-D10, 10A-D
- AC-StromschienenträgerAC busbar support
- 12A-C12A-C
- AC-StromschienenAC busbars
- 122122
- Durchgangsöffnungpassage opening
- 124124
- Innenwandinner wall
- 1414
- Trägerkörpercarrier body
- 142142
- Oberseitetop
- 144144
- Ausnehmungrecess
- 146146
- Bodenteilbottom part
- 148148
- Mantelvorsatzjacket attachment
- 150150
- Unterseitebottom
- 1616
- Stromsensorcurrent sensor
- 162162
- Seitenflächeside face
- 164164
- Steckverbindungconnector
- 1717
- Ausnehmungrecess
- 1818
- Isolationsfolieinsulation film
- 19A-C19A-C
- Flügelwing
- 2020
- Isolationsbeschichtunginsulation coating
- 2222
- Leiterplattecircuit board
- 24A-C24A-C
- Eingangskontakteinput contacts
Claims (11)
Priority Applications (1)
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DE102021208350.1A DE102021208350A1 (en) | 2021-08-02 | 2021-08-02 | AC busbar support for inverters for operating an electric drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle, inverter |
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ID=84890215
Family Applications (1)
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DE102021208350.1A Pending DE102021208350A1 (en) | 2021-08-02 | 2021-08-02 | AC busbar support for inverters for operating an electric drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle, inverter |
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Citations (5)
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-
2021
- 2021-08-02 DE DE102021208350.1A patent/DE102021208350A1/en active Pending
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