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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Inverteranordnung für einen Elektroantrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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Bisher kommen unterschiedliche Inverterkonzepte bei Hybrid-Fahrzeugen und Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Dies führt zu geringerer Flexibilität, um mit der Herstellung auf Marktanforderungen zu reagieren, höherem Aufwand bezüglich des Designs und höheren Kosten.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Inverter-Struktur für elektrische Antriebe bereitzustellen, welche mindestens diese Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine Inverteranordnung für elektrische Antriebe, aufweisend eine Leiterplatte, mit der eine vorgegebenen Anzahl an Hochvolt-Kontakteinheiten zur elektrischen Kontaktierung der Leiterplatte mit einem elektrischen Antrieb, der mindestens einen Elektromotor aufweist, verbunden ist. Eine Anzahl an Kontaktbereichen der Hochvolt-Kontakteinheit entspricht dabei mindestens der Anzahl der mit der Leiterplatte zu verbindenden Phasen des mindestens einen Elektromotors. Die Leiterplatte ist außerdem mit diskreten Leistungshalbleitern bestückt, die derart auf der Leiterplatte gruppiert angeordnet sind, dass jede Gruppe mindestens eine Inverterstufe eines aus einer oder mehreren Inverterstufen gebildeten Inverters bildet. Dabei ist jede Inverterstufe dazu eingerichtet, eine vorgegebene Ausgangsleistung an die Hochvolt-Kontakteinheit abzugeben. Ferner ist je Elektromotor ein Inverter vorgesehen. Außerdem ist die Leiterplatte mit mindestens einem Microcontroller bestückt, der zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter mindestens eines Inverters eingerichtet ist.
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Durch die Integration aller notwendigen Komponenten auf der Leiterplatte ist eine kompakte und skalierbare Inverteranordnung entstanden.
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In einer Ausführung ist eine Kühlstruktur derart an der Leiterplatte integriert, dass sie mit den Leistungshalbleitern in Kontakt ist. Vorteilhaft ist die Kühlstruktur an den Leistungshalbleitern auf einer der Leiterplatte abgewandten Seite davon befestigt. Somit kann auch die Kühlung in die Leiterplatte integriert werden und das System wird noch kompakter.
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In einer Ausführung sind weitere Komponenten, umfassend mindestens eines aus einem Temperatursensor oder einer Hochvolt-Komponente oder einer Niedervolt-Komponente auf der Leiterplatte angeordnet.
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In einer Ausführung sind mindestens die Leistungshalbleiter und der mindestens eine Microcontroller mit einer elektrisch nicht leitenden Moldmasse umgeben. Somit wird ein Schutz der empfindlichen Leistungshalbleiter vor Außeneinflüssen erreicht und alle wesentlichen Komponenten können in einem Verfahrensschritt mit Moldmasse umgeben werden.
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Ferner ist ein elektrischer Antrieb mit einer vorgeschlagenen Inverteranordnung vorgesehen, wobei der elektrische Antrieb mindestens einen Elektromotor aufweist, an dem die Hochvolt-Kontakteinheit der Inverteranordnung an entsprechenden Gegenkontakten direkt elektrisch kontaktiert sind.
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In einer Ausführung ist der der Elektromotor ein dreiphasiger Elektromotor. In einer Ausführung weist der elektrische Antrieb ferner eine Getriebeeinrichtung auf. In einer Ausführung ist der elektrische Antrieb ein elektrischer Achsantrieb.
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Ferner wird ein Elektrofahrzeug mit einer Fahrzeugachse bereitgestellt, die durch den elektrischen Antrieb angetrieben wird.
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Ferner wird ein Hybridfahrzeug mit einer Fahrzeugachse bereitgestellt, die durch den elektrischen Antrieb und einen Verbrennungsmotor angetrieben wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Draufsicht einer Inverteranordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Untersicht der in 1 gezeigten Inverteranordnung.
- 3 zeigt eine Draufsicht einer Inverteranordnung gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine Untersicht der in 3 gezeigten Inverteranordnung.
- 5 zeigt eine Ansicht einer Leiterplatte mit darauf angeordneter Kühlstruktur gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 6 zeigt eine Ansicht einer an einem elektrischen Antrieb direkt befestigten Inverteranordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 7 bis 9 zeigen unterschiedliche Möglichkeiten des Aufbaus Inverteranordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In aktuellen Antriebssystemen, z.B. von Getrieben, werden elektrische Antriebe mit zwei oder mehr Elektromotoren 20, 21 verbaut, von denen jeder über einen eigenen Inverter I mit Energie versorgt wird. Häufig sind Anbaulösungen vorhanden. Außerdem sind für PHEV-Systeme, also Plug-In-Hybrid-Systeme, DHT (Dedicated-Hybrid-Transmission)-Systeme, andere Inverteranordnungen als für BEV-Systeme, also rein elektrische Antriebe, nötig.
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Der Aufbau dieser Inverter I ist derart, dass sie, je nach benötigter Leistung, aus mehreren Leistungsmodulen mit darin befindlichen Halbleitern bestehen. Zur Kühlung ist ein mit dem Modul verbundener Kühlkörper vorgesehen. Ferner sind ein oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen. Zur Ansteuerung sind teils mehrere Leiterplatten vorgesehen, die ebenfalls an verschiedenen Orten im Fahrzeug verbaut sein können und von denen eine z.B. eine Leistungsplatine bzw. ein Treiberboard zur Hochvoltschaltung und die andere eine Steuerplatine bzw. Control Unit zur Ansteuerung des Treiberboards ist.
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Da für jede Verwendung ein unterschiedliches Konzept vorgesehen ist, fehlt die Flexibilität, sich auf Änderungen im Kaufverhalten der Kunden und damit den Bedarf an sich (kurzfristig) ändernden, benötigten Stückzahlen einzustellen. Um diesem Problem zu begegnen, wird die nachfolgend beschriebene Inverteranordnung für elektrische Antriebe vorgeschlagen und anhand der Figuren nachfolgend beschrieben.
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Das Grundkonzept der Erfindung ist es, eine Inverteranordnung für elektrische Antriebe 20, 21 bereitzustellen, die ein einheitliches Konzept bietet, und sowohl für PHEV- als auch für BEV-Systeme verwendet werden kann und damit eine höhere Flexibilität bietet, um sich auf kurzfristige Änderungen in der Nachfrage an entsprechenden Produkten einzustellen. Das Konzept ist sowohl für Doppelinverter als auch für Singleinverter anwendbar. Unter einem Doppelinverter ist ein Inverter I (auch aus mehreren Inverterstufen 11-13 bestehend) zu verstehen, der zwei getrennte Elektromotoren 20, 21 ansteuern kann. Unter einem Singleinverter ist ein Inverter I (auch aus mehreren Inverterstufen 11-13 bestehend) zu verstehen, der einen einzigen Elektromotor 20, 21 ansteuern kann.
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Um das einheitliche Konzept zu realisieren wird die Leistungselektronik (in Form von Inverterstufen 11-13), welche den Inverter I bildet, sowie ein oder mehrere Microcontroller als Steuereinheit der Leistungshalbleiter auf einer einzigen Leiterplatte 10 integriert, die elektrisch direkt mit den HV-Kontakte des oder der Elektromotoren 20, 21 des elektrischen Antriebs kontaktiert werden kann. Außerdem kann eine Kühlstruktur 30 ebenfalls an der Leiterplatte 10 integriert sein und die Leiterplatte 10 kann mitsamt allen Leistungshalbleitern und dem oder den Microcontrollern mit einer Moldmasse 40 zum Schutz umgeben werden.
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Die Leistungselektronik, mit welcher die Leiterplatte 10 bestückt ist, besteht aus diskreten Leistungshalbleitern, die jeweils so miteinander verschalten sind, dass sie als Halbleiterschalter dienen. Dabei kann z.B. eine B6-Brückenschaltung verwendet werden, welche sechs Halbleiterschalter derart umfasst, dass zwei Halbleiterschalter pro Phase zugeordnet sind, um einen 3-phasigen Elektromotor anzusteuern. Damit wird jeweils eine Inverterstufe I1, I2, I3 gebildet. Das heißt, dass kein Leistungsmodul mehr benötigt wird, sondern die Leistungshalbleiter direkt an der Leiterplatte 10 bestückt werden und damit ein diskreter Aufbau realisiert wird. Die Leistungshalbleiter können IGBT's, MOSFET's, JFET's und andere, als Halbleiterschalter verwendbare Halbleiter(schaltungen) sein. Auch das Material kann je nach Anwendung gewählt werden und Silizium Si, Siliziumkarbid SiC, ein anderes geeignetes Material oder eine Kombination daraus sein.
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Je nach benötigter Leistung kann eine einzelne Inverterstufe I1, I2, I3 zur Ansteuerung eines Elektromotors 20, 21 verwendet werden (und dient damit als Singleinverter), oder es können mehrere Inverterstufen I1, I2, 13, also gruppierte Leistungshalbleiter, zusammengeschaltet werden und somit einen Inverter I bilden, wie in 7 bis 9 beispielhaft gezeigt. In 7 sind zwei Inverterstufen I1, 12 vorgesehen, welche jeweils einen Elektromotor 20, 21 eines elektrischen Antriebs ansteueren. In 8 sind drei Inverterstufen I1, I2, I3 vorgesehen. Hier sind zwei Inverterstufen I1, 12 zu einem Inverter I zusammengefasst sinddie den Elektromotor 20 ansteuern und die Inverterstufe I3 steuert den Elektromotor 21 an. In 9 ist lediglich ein Elektromotor 20 vorgesehen, der aber von drei Inverterstufen I1, I2, I3 angesteuert wird. 7 und 8 zeigen einen Doppelinverter, und 9 zeigt einen Singleinverter.
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Das Zusammenschalten von Halbleiterschaltern bzw. Inverterstufen I1, I2, I3 dient dazu, die an den Elektromotor 20, 21 abgegebene Leistung zu erhöhen. Die Verschaltung aus 7 kann am Elektromotor 20 z.B. 70kW und am Elektromotor 21 z.B. 30 kW zur Verfügung stellen. In 8 kann jeder Elektromotor 20, 21 mit derselben Leistung, z.B. 30kW, angesteuert werden. In 9 sind drei Inverterstufen 11-13 zusammengeschaltet und können dadurch eine noch höhere Leistung, z.B. 100kW, bereitstellen. Das heißt, dass das Zusammenschalten von mehreren Inverterstufen 11-13, also gruppierten Leistungshalbleitern zur Addierung der durch die einzelnen Inverterstufen 11-13 bereitgestellten Leistung führt.
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Aus dieser Beschreibung wird bereits ersichtlich, dass durch das Vorsehen von diskreten Leistungshalbleitern auf einer Leiterplatte 10 eine hohe Flexibilität gegeben ist, was die Bereitstellung an Leistung an den oder die Elektromotoren 20, 21 angeht. Wenn mehr Leistung benötigt wird, wird die Leiterplatte 10 mit einer höheren Anzahl an Leistungshalbleitern bestückt, welche gruppiert dann jeweils eine Inverterstufe I1-I3 bilden. Durch den stets gleichen Aufbau der Halbleiterbrücken wird die Produktion vereinfacht.
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Außerdem kann durch die gemeinsame Leiterplatte 10 auch ein einziger Microcontroller zur Ansteuerung für alle Elektromotoren 20, 21 des elektrischen Antriebs verwendet werden. Es muss lediglich die Leiterplatte 10 entsprechend ausgelegt werden. Somit entfällt der Bedarf an den bisher nötigen, separaten Leistungsplatine und Steuerplatine, da diese nunmehr auf einer einzigen Leiterplatte 10 integriert sind.
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Ferner können weitere Komponenten wie Sensoren, z.B. Temperatursensoren, oder weitere Hochvolt- oder Niedervoltkomponenten (je nach System und Anforderung) auf der Leiterplatte 10 vorgesehen sein.
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Um das System zu kühlen, kann eine Kühlstruktur 30 an der Leiterplatte 10 integriert werden, wie in 5 gezeigt. Vorteilhaft erfolgt dies derart, dass die Kühlstruktur 30 auf die diskreten Leistungshalbleiter aufgebracht und daran mit bekannten Verfahren befestigt wird. Das heißt, die Kühlstruktur 30 ist auf einer der Leiterplatte 10 abgewandten Seite der Leistungshalbleiter angeordnet.
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Um die Leiterplatte 10 mit den darauf angeordneten Komponenten zu schützen, kann eine elektrisch nicht leitende Moldmasse 40 als Schutz vor Außeneinflüssen zumindest auf einem Teil der Leiterplatte 10 aufgebracht werden, wie in 2, 4 und 5 angedeutet. Die Kühlstruktur 30 ragt dabei aus der Moldmasse 40 heraus.
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Als Abschluss ist dann noch ein Gehäuse 50 vorgesehen, welches das Gesamtsystem schützt, wie in 1, 3 und 6 gezeigt.
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Die elektrische Verbindung zwischen Leiterplatte 10, genauer Inverter I, und Elektromotor 20, 21, erfolgt über an der Leiterplatte 10 angeordnete Hochvolt-Kontakteinheit 11, die mit entsprechenden Gegenkontakten am zugehörigen Elektromotor 20, 21 elektrisch kontaktiert werden. Das heißt, dass die Inverteranordnung direkt am Elektromotor 20, 21 angeschlossen wird und nicht mehr als Anbauteil vorgesehen werden muss. Dies hat den Vorteil, dass Bauraum eingespart werden kann, indem Distanzen zwischen einzelnen Komponenten geringer werden. Dies führt wiederum dazu, dass weniger Kabel benötigt werden. Durch die Integration der Leistungshalbleiter und der zugehörigen Ansteuerung auf einer Leiterplatte 10 wird zudem die mechanische Festigkeit gegen Vibrationen verbessert. Da auf der Leiterplatte 10 auch mehrere Hochvolt-Kontakteinheiten 11 vorgesehen sein können, ist es möglich, nicht nur einen Elektromotor 20, 21 anzusteuern, sondern sogar zwei, indem zwei Hochvolt-Kontakteinheit 11 vorgesehen werden, d.h. auf der Leiterplatte 10 kontaktiert. Das heißt, es kann ein skalierbarer Inverter bzgl. Leistung und Gruppierung der Leistungshalbleiter bereitgestellt werden. Der Inverter I kann also als Doppelinverter dienen. Unter einem Doppelinverter ist ein Inverter I (auch aus mehreren Inverterstufen 11-13) zu verstehen, der zwei getrennte Elektromotoren 20, 21 ansteuern kann.
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Die Hochvolt-Kontakteinheit 11 sind so gebildet, dass die Anzahl ihrer Kontaktbereiche der Anzahl der zu kontaktierenden Phasen des Elektromotors 20, 21 entspricht. Im Falle eines dreiphasigen Elektromotors 20, 21 sind also drei Kontaktbereiche an einem Hochvolt-Kontakteinheit 11 vorgesehen, wie in den Figuren gezeigt.
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Vorteilhaft an der vorgeschlagenen Inverteranordnung ist außerdem, dass die Größe und Position der Leiterplatte 10, sowie der Hochvolt-Kontakteinheit 11 immer an derselben Stelle sein können, je nachdem, ob es ein oder zwei Elektromotoren 20, 21, also ein oder zwei Inverter I sind, wie in 1-4 gezeigt.
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Die Busbar-Kontaktierung zum Elektromotor 20, 21 muss nicht verändert werden. Außerdem kann eine Busbarkühlung des Zwischenkreiskondensators durch eine integrierte Kühlleiste realisiert werden.
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Ferner ist im Falle einer Anwendung im DHT-System eine Integration der TCU (Transmission Control Unit) Funktionalität in die Leiterplatte 10 des DHT-Inverters mit einem oder zwei Microcontrollern möglich.
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Es können mit dem vorgeschlagenen Aufbau und der Verbindungstechnik sehr kompakte Antriebe realisiert werden, da ein Teil der bisher benötigten Stecker und Schnittstellen verringert werden. Der Produktionsbedarf kann auf Grund der gleichen Leiterplattenkontur sowie Aufbau und Verbindungstechnik relativ schnell auf der Produktionslinie angepasst werden.
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Wie bereits erwähnt, weist der elektrische Antrieb, für den die Inverteranordnung vorgeschlagen wird, mindestens einen Elektromotor 20, 21 auf. Es können aber auch zwei Elektromotoren 20, 21 vorgesehen sein, die beide von der Inverteranordnung aufgrund des oben beschriebenen Aufbaus ansteuerbar sind. Der oder die Elektromotoren 20, 21 weisen Gegenkontakte auf, die mit den Hochvolt-Kontakteinheit 11, die auf der Leiterplatte 10 vorgesehen sind, direkt elektrisch kontaktiert werden können. Der elektrische Antrieb weist vorteilhaft eine Getriebeeinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, z.B. eine Fahrzeugachse eines Kraftfahrzeugs anzutreiben, oder die als Untersetzer dient.
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Der elektrische Antrieb ist vorteilhaft ein elektrischer Achsantrieb zum Antrieb einer Achse eines Fahrzeugs. Ein solcher elektrischer Achsantrieb kann für unterschiedliche Fahrzeuge verwendet werden, z.B. PKWs und NKWs, also auch LKWs.
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Insbesondere ist die Inverteranordnung für die Anwendung bei elektrischen Antrieben in Hybridfahrzeugen, vorteilhaft PHEV- und DHT-Systemen, und in BEV, also rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, vorgesehen. Um die Achse anzutreiben, sind die Motoren (Elektro bzw. Elektro- und Verbrenner) über ein Getriebe mit der Achse verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leiterplatte
- 11
- Hochvolt-Kontakteinheit
- I1, I2, I3
- Inverterstufen 1-3 aus diskreten Leistungshalbleitern
- I
- Inverter
- 20,21
- Elektromotor
- 30
- Kühlstruktur
- 40
- Moldmasse
- 50
- Gehäuse
