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Die Erfindung betrifft eine Kondensatoreinheit für eine Leistungselektronik mit den Merkmalen des Obergebegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronikanordnung mit der Kondensatoreinheit.
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Wechselrichter, häufig auch als Inverter bezeichnet, mit Leistungskondensatoren in Form von Zwischenkreiskondensatoren werden oftmals in der Fahrzeugtechnik zum Betreiben von elektrischen Maschinen eingesetzt. Beispielsweise dient der Wechselrichter dazu, in einem Fahrzeug elektrische Leistung von einer Batterie hin zu der elektrischen Maschine geregelt zur Verfügung zu stellen, wobei der Zwischenkreiskondensator zur Stabilisierung der Batteriespannung vorgesehen ist. Zur Kühlung des Zwischenkreiskondensators wird üblicherweise ein Kühlkörper thermisch angebunden, wobei die Anbindung meistens über Schraubverbindungen und einer Anpressmechanik erfolgt.
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Die Druckschrift
DE 10 2018 217 780 A1 offenbart eine Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bauteile eines Stromrichters mit mindestens einem Leistungsmodul, mindestens einem Kondensator, mindestens einem zwischen dem Leistungsmodul und dem Kondensator angeordneten Kühlkörper, ein erstes DC-Leiterelement mit einem ersten Potenzial und mindestens ein weiteres zweites DC-Leiterelement mit einem zweiten Potenzial. Das erste und das zweite DC-Leiterelement sind ausgebildet, das Leistungsmodul und den Kondensator mit elektrischer Energie zu versorgen. Das erste und das zweite DC-Leiterelement verlaufen durch den Kühlkörper zueinander koaxial angeordnet. Dabei ist das erste DC-Leiterelement als Stift und das zweite DC-Leiterelement als Hülse ausgebildet, wobei der Stift als Schraube ausgebildet ist, welche in ein Gewinde derart eindrehbar ist, dass der Kondensator und das Leistungsmodul auf den Kühlkörper pressbar sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kondensatoreinheit der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welche sich durch verbesserte Kühleigenschaften sowie einen robusten Aufbau auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kondensatoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Leistungselektronikanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. In den Unteransprüchen, der Beschreibung mit den Figuren sind weitere Merkmale und Vorteile sowie Wirkungen der Erfindung beschrieben.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Kondensatoreinheit, welche für eine Leistungselektronik, insbesondere einen Wechselrichter bzw. Inverter, ausgebildet und/oder geeignet ist.
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Die Kondensatoreinheit weist einen Zwischenkreiskondensator auf, welcher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie ausgebildet und/oder geeignet ist. Der Zwischenkreiskondensator weist eine Kontaktplatte und mehrere Kondensatormodule auf, wobei die Kondensatormodule auf der Kontaktplatte angeordnet sind. Vorzugsweise dient die Kontaktplatte zum elektrischen Anschluss des Zwischenkreiskondensators. Die Kontaktplatte kann hierzu einen Versorgungsanschluss zum Anschluss eines Energiespeichers, insbesondere eine Hochvoltbatterie, sowie ein oder mehrere Leistungsanschlüsse zum Anschluss der Leistungselektronik, insbesondere ein oder mehrerer Leistungsmodule, aufweisen. Der Versorgungsanschluss ist vorzugsweise durch einen Gleichstromanschluss gebildet, welcher einen Positivanschluss und einen Negativanschluss aufweisen kann. Die Leistungsanschlüsse sind vorzugsweise durch eine Busschiene gebildet, welche je Kondensatormodul jeweils zwei Positivanschlüsse und einen Negativanschluss aufweisen kann. Insbesondere sind mehrere der gleichen Kondensatormodule auf der Kontaktplatte zu einer Kondensatorbank zusammengeschaltet. Vorzugsweise sind die Kondensatormodule hierzu über die Kontaktplatte elektrisch, insbesondere polgerecht, mit dem Versorgungsanschluss und dem jeweils zugehörigen Leistungsanschluss verbunden. Die Kondensatormodule weisen vorzugsweise jeweils eine zylindrische Bauform, vorzugsweise ein zylindrisches Gehäuse auf. Insbesondere sind die Kondensatormodule als separate Einzelkondensatoren zu verstehen. Im Speziellen sind die Kondensatormodule jeweils als ein Wickelkondensator, auch als „Folienkondensator“ oder „Kunststoff-Folienkondensator“ bekannt, ausgebildet.
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Der Zwischenkreiskondensator weist eine Kühlkörpereinrichtung auf, welche zur Kühlung des Zwischenkreiskondensators ausgebildet und/oder geeignet ist. Die Kühlkörpereinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, den Zwischenkreiskondensator aktiv oder passiv zu kühlen. Hierbei kann zumindest der Zwischenkreiskondensator direkt thermisch mit der Kühlkörpereinrichtung gekoppelt sein. Optional kann jedoch auch die Leistungselektronik direkt thermisch mit der Kühlkörpereinrichtung gekoppelt sein. Im Speziellen ist die Kühlkörpereinrichtung ausgebildet, zur Umsetzung einer Flüssigkeitskühlung ein Kühlmittel zu führen. Die Kühlkörpereinrichtung weist eine Kühlkontaktfläche auf, welche mit einer den Kondensatormodulen abgewandten Bodenfläche der Kontaktplatte thermisch gekoppelt ist. Insbesondere liegen die Kühlkontaktfläche und die Bodenfläche zumindest mittelbar flächig, vorzugsweise vollflächig, aneinander an. Vorzugsweise ist Kühlkontaktfläche zu der Bodenfläche überdeckend und/oder deckungsgleich ausgebildet.
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Die Kondensatoreinheit weist eine Befestigungseinheit auf, welche zur Befestigung der Kühlkörpereinrichtung an dem Zwischenkreiskondensator ausgebildet und/oder geeignet ist. Die Befestigungseinheit weist hierzu ein oder mehrere Befestigungsmittel und Sicherungsmittel auf. Insbesondere ist jedem Befestigungsmittel je ein Sicherungsmittel zugeordnet. Vorzugsweise sind die Befestigungsmittel und die Sicherungsmittel als zueinander komplementäre Schraubmittel ausgebildet. Vereinfacht gesagt, ist das Befestigungsmittel als eine Schraube und das Sicherungsmittel als eine Schraubenmutter ausgebildet.
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Die Kühlkörpereinrichtung weist eine Führungsöffnung zur Durchführung des Befestigungsmittels auf. Insbesondere ist die Führungsöffnung als eine Durchgangsbohrung ausgebildet, welche sich koaxial zu dem Befestigungsmittel bzw. einer durch das Befestigungsmittel definierten Befestigungsmittelachse erstreckt. Insbesondere weist mindestens oder genau eines der Kondensatormodule, vorzugsweise mehrere der Kondensatormodule, besonders bevorzugt alle Kondensatormodule eine zentrische Befestigungsöffnung zur Durchführung jeweils eines Befestigungsmittels und/oder zur Aufnahme jeweils eines Sicherungsmittels auf. Vorzugsweise erstreckt sich die Befestigungsmittelöffnung koaxial zu der jeweils zugehörigen Führungsöffnung bzw. der jeweils zugehörigen Befestigungsmittelachse. Zur Befestigung des Zwischenkreiskondensators an der Kühlkörpereinrichtung, ist das mindestens eine Befestigungsmittel durch die Führungsöffnung der Kühlkörpereinrichtung sowie die zugehörige Befestigungsöffnung des Kondensatormoduls geführt und endseitig in dem jeweils zugehörigen Sicherungsmittel verankert. Insbesondere sind der Zwischenkreiskondensator und die Kühlkörpereinrichtung in axialer Richtung in Bezug auf die Befestigungsmittelachse kraftschlüssig durch die Befestigungseinheit miteinander verbunden. Besonders bevorzugt ist das Befestigungsmittel hierzu in das Sicherungsmittel eingeschraubt, wobei durch ein Anziehen bzw. Lösen des Befestigungsmittels eine Befestigungskraft einstellbar ist.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Sicherungsmittel einen Abstützbund aufweist, über welchen das Sicherungsmittel in axialer Richtung in Bezug auf die Befestigungsmittelachse an dem jeweils zugehörigen Kondensatormodul abgestützt ist. Der Abstützbund hat die Funktion eine durch das Befestigungsmittel aufgebrachte Befestigungskraft gleichmäßig auf das jeweilige Kondensatormodul zu verteilen. Insbesondere erstreckt sich der Abstützbund in einer radialen Richtung in Bezug auf die Befestigungsmittelachse und/oder in einer Radialebene der Befestigungsmittelachse. Der Abstützbund kann planflächig und/oder abschnittsweise flächig an einer Außenseite des Kondensatormoduls mittelbar oder unmittelbar abgestützt sein. Vorzugsweise ist das Sicherungsmittel einerseits in axialer Richtung über den Abstützbund an dem Kondensatormodul abgestützt und das Befestigungsmittel andererseits in axialer Gegenrichtung, vorzugsweise über einen Schraubenkopf, an der Kühlkörpereinrichtung abgestützt.
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Es wird somit eine Befestigungseinheit vorgeschlagen, welche sich durch eine gleichmäßige Verteilung des Befestigungskraft bzw. eine gleichmäßige Verpressung des Zwischenkreiskondensators und der Kühlkörpereinrichtung auszeichnet. Dadurch kann die Flächenpressung zwischen Kühlkörpereinrichtung und Zwischenkreiskondensator reduziert werden, sodass die thermische Wärmeableitung zur Kühlkörpereinrichtung hin verbessert und/oder etwaige Beschädigungen des Zwischenkreiskondensators reduziert bzw. verhindert werden. Es wird somit eine Kondensatoreinheit vorgeschlagen, welche sich durch einen robusten Aufbau sowie verbesserte Kühleigenschaften auszeichnet. Weiterhin wird durch die zentrische Anbindung eine Befestigung mit einer geringen Anzahl an Befestigungspositionen vorgeschlagen. Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere darin, dass die Befestigungseinheit in einfacher Weise gewechselt werden kann.
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In einer konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstützbund einen Abstützbereich und einen Freibereich aufweist, wobei der Abstützbund in dem Abstützbereich an dem Kondensatormodul abgestützt ist und in dem Freibereich von dem Kondensatormodul beabstandet angeordnet ist. Insbesondere erfolgt eine Krafteinleitung der Befestigungskraft über den Abstützbereich. Dabei ist vorgesehen, dass der Abstützbereich in radialer Richtung in Bezug auf die Befestigungsmittelachse möglichst weit außen liegt. Vorzugsweise weist der Abstützbund einen Durchmesser auf, welcher mehr als 30%, vorzugsweise mehr als 50%, im Speziellen mehr als 70% eines Außendurchmessers des zugehörigen Kondensatormoduls entspricht. Insbesondere ist in dem Freibereich ein Luftspalt zwischen Abstützbund und einer Außenseite des Kondensatormoduls gebildet. Vorzugsweise weist der Luftspalt ein Spaltmaß von weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5, im Speziellen weniger als 0,1 mm auf. Es wird somit ein Abstützbund vorgeschlagen, welcher sich durch eine sichere Auflage an dem Kondensatormodul auszeichnet, wobei durch die Freibereiche eine Überdefinition der Einleitungspunkte ausgeschlossen werden kann.
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In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass der Freibereich mit einem Wärmeleitmaterial ausgefüllt ist. Das Wärmeleitmaterial hat die Funktion den Luftspalt zwischen dem Kondensatormodul und dem Abstützbund zu schließen, um einen Wärmeübergang von dem Kondensatormodul in Richtung des Abstützbundes zu verbessern. Insbesondere kann in dem Freibereich eine Wärmeleitpaste und/oder ein Wärmeleitpad angeordnet sein. Es wird somit eine Befestigungseinheit vorgeschlagen, welche sich durch eine hohe Auflagefläche des Abstützbundes an dem Kondensatormodul und zugleich durch verbesserte Kühleigenschaften auszeichnet.
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In einer weiteren konstruktiven Ausführung ist vorgesehen, dass der Abstützbereich durch ein oder mehrere Abstützflächen gebildet ist, wobei der Abstützbund über die Abstützfläche flächig an dem Kondensatormodul abgestützt ist. Prinzipiell kann der Abstützbereich durch mindestens oder genau eine umlaufende, insbesondere ringförmige, Abstützfläche gebildet sein. Alternativ kann der Abstützbereich durch mindestens oder genau eine umlaufend segmentierte Abstützfläche gebildet sein. Es wird somit ein Abstützbund vorgeschlagen, welcher sich durch eine besonders stabile Auflage an dem Kondensatormodul und zugleich eine flächige Krafteinleitung bzw. eine reduzierte Flächenpressung an dem Kondensatormodul auszeichnet.
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In einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die mindestens oder genau eine Abstützfläche an einem radialen Außenrand des Abstützbundes angeordnet ist. Insbesondere ist der Außenrand als eine dem Kondensatormodul zugewandte radial außenliegende Randkante zu verstehen. Anders formuliert, liegt der Abstützbund über die Abstützfläche randseitig an dem Kondensatormodul an. Es wird somit ein Abstützbund vorgeschlagen, bei welchem die Einleitungspunkte möglichst weit außen liegen.
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In einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstützbereich durch mindestens oder genau eine weitere Abstützfläche gebildet ist, welche an einem radialen Innenrand des Abstützbundes angeordnet ist. Insbesondere ist der Innenrand als eine dem Kondensatormodul zugewandte radial innenliegende Randkante zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Abstützbund über die weitere Abstützfläche randseitig an der Befestigungsöffnung an. Die weitere Abstützfläche ist vorzugsweise als eine umlaufende, insbesondere ringförmige, Abstützfläche ausgebildet. Dadurch wird ein Abstützbund geschaffen, welcher sich durch eine besonders gleichmäßige Verteilung der Befestigungskraft auszeichnet.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, das Befestigungsmittel und das Sicherungsmittel aus einem thermisch leitfähigen Material gefertigt sind. Insbesondere ist das Sicherungsmittel einerseits über den Abstützbund und optional das Wärmeleitmaterial thermisch mit dem Kondensatormodul gekoppelt und andererseits über das Befestigungsmittel thermisch mit der Kühlkörpereinrichtung gekoppelt, sodass ein Wärmeleitpfad von einer der Kühlkörpereinrichtung abgewandten Seite des Kondensatormoduls über die Befestigungseinheit zu der Kühlkörpereinrichtung hin veräuft. Vorzugsweise sind das Sicherungsmittel und das Befestigungsmittel aus einer Stahllegierung gefertigt. Es wird somit eine Kondensatoreinheit vorgeschlagen, welche sich durch eine doppelseitige Kühlung des Zwischenkreiskondensators und somit durch verbesserte Kühleigenschaften auszeichnet.
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In einer konkreten Ausführung ist vorgesehen, dass das Sicherungsmittel einen Hülsenabschnitt aufweist, welche zur Aufnahme des Befestigungsmittels ausgebildet und/oder geeignet ist. Der Hülsenabschnitt weist hierzu vorzugsweise ein Innengewinde auf, in welche das Befestigungsmittel mit einem Außengewinde einschraubbar ist. Der Abstützbund schließt sich unmittelbar in radialer Richtung an den Hülsenabschnitt an. Prinzipiell kann der Hülsenabschnitt innerhalb der Befestigungsöffnung aufgenommen sein. Der Hülsenabschnitt kann dabei drehfest und/oder axialfest durch eine Formschluss-, Kraftschluss- und/oder Stoffschlussverbindung gesichert sein. Alternativ kann der Hülsenabschnitt jedoch auch außerhalb der Befestigungsöffnung, insbesondere an einer Außenseite des Sicherungsmittels, angeordnet sein bzw. sich in Verlängerung zur Befestigungsöffnung erstrecken. Es wird somit eine Sicherungsmittel vorgeschlagen, welches sich durch eine einfache Montage sowie eine stabile Anbindung des Befestigungsmittels auszeichnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstützbund eine polygonale oder blütenförmige Grundform aufweist. Insbesondere ist unter einer polygonalen Grundform eine viereckige, vorzugsweise sechseckige, im Speziellen achteckige Grundform zu verstehen. Insbesondere ist eine blütenförmige Grundform so zu verstehen, dass der Abstützbund mehrere, vorzugsweise drei nach außen weisende Kreisbögen mit gleichen Radien aufweist, die einem Kreis einbeschrieben sind. Es wird somit ein Abstützbund vorgeschlagen, welcher sich im Vergleich zu einer kreisrunden Ausgestaltung durch einen geringeren Materialbedarf mit möglichst weit außenliegenden Krafteinleitungspunkten auszeichnet. Zudem kann das Sicherungsmittel bei einer Montage aufgrund der polygonalen oder blütenförmigen Grundform durch ein entsprechendes Werkzeug gegen verdrehen gesichert werden.
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In einer weiteren Realisierung ist vorgesehen, dass die Kondensatormodule gemeinsam mittels eines Vergussmaterials mit der Kontaktplatte, vorzugsweise stoffschlüssig, vergossen sind, wobei das Sicherungsmittel über den Abstützbund an einer Außenseite des Vergussmaterials abstützt ist. Insbesondere sind zumindest die Bodenfläche, der Versorgungsanschluss sowie die Leistungsanschlüsse materialfrei ausgebildet bzw. frei von dem Vergussmaterial. Das Vergussmaterial kann vorzugsweise ein Hartvergussmaterial, insbesondere Kunststoff, im Speziellen Epoxidharz sein. Insbesondere sind die Kondensatormodule und die Kontaktplatte somit zu einer gemeinsamen Baueinheit vergossen.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Zwischenkreiskondensator je Kondensatormodul jeweils eine Metallabdeckung aufweist, wobei der Abstützbund über die Metallabdeckung an dem Kondensatormodul abgestützt ist. Insbesondere ist die Metallabdeckung ausgebildet, das Kondensatormodul größtenteils und/oder vollflächig abzudecken. Insbesondere liegt die Metallabdeckung unmittelbar an dem Kondensatormodul, vorzugsweise der Vergussmasse, an und/oder ist mit dem Kondensatormodul thermisch gekoppelt. Optional kann die Metallabdeckung formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig über ein oder mehrere seitlich des Kondensatormoduls angeordnete Laschen mit der Kontaktplatte verbunden und/oder thermisch gekoppelt sein. Vorzugsweise ist die Metallabdeckung als ein wärmeleitfähiges Metallblech, z.B. ein Kupfer-, Aluminium oder Stahlblech ausgebildet. Es wird somit ein Kondensatormodul vorgeschlagen, welches sich durch eine verbesserte Wärmekapazität und somit eine verbesserte Kühlung auszeichnet.
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In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass zwischen der Bodenfläche und der Kühlkontaktfläche eine Isolationsschicht angeordnet ist. Insbesondere dient die Isolationsschicht zur elektrischen Isolierung der Kontaktplatte gegenüber der Kühlkörpereinrichtung. Die Isolationsschicht kann prinzipiell durch einen Isolator, vorzugsweise eine Isolationsfolie, gebildet sein. Alternativ oder optional ergänzend ist die Isolationsschicht durch eine Beschichtung, vorzugsweise eine Pulverbeschichtung aus einem Isolationspulver, gebildet.
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In einer alternativen oder optional ergänzenden Konkretisierung ist vorgesehen, dass zwischen der Bodenfläche und der Kühlkontaktfläche eine Wärmeleitschicht angeordnet ist. Insbesondere dient die Wärmeleitschicht zur Verbesserung der thermischen Kopplung zwischen der Bodenfläche und der Kühlkontaktfläche. Die Wärmeleitschicht kann prinzipiell durch eine Wärmeleitpaste gebildet sein. Bevorzugt jedoch ist die Wärmeleitschicht durch Wärmeleitpad, auch als „Gap-Pad“ bekannt, gebildet. Optional kann die Wärmeleitschicht, insbesondere das Wärmeleitpad, elektrisch isolierend ausgebildet sein. Es wird somit eine Kondensatoreinheit vorgeschlagen, welche sich durch deutlich verbesserte Kühlung auszeichnet.
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In einer weiteren konkreten Umsetzung ist vorgesehen, dass die Befestigungseinheit je Kondensatormodul jeweils ein Befestigungsmittel und jeweils ein Sicherungsmittel aufweist. Die Befestigungsmittel sind durch je eine Führungsöffnung der Kühlkörpereinrichtung und je eine zentrische Befestigungsöffnung des jeweiligen Kondensatormoduls geführt und in dem jeweils zugehörigen Sicherungsmittel verankert, um die einzelnen Kondensatormodule zentrisch an die Kühlkörpereinrichtung anzubinden. Vorzugsweise sind die Befestigungsmittel alle mit der gleichen Befestigungskraft beaufschlagt bzw. mit dem gleichen Anzugsmoment in dem Sicherungsmittel verankert, insbesondere eingeschraubt. Im Speziellen weist der Zwischenkreis mindestens oder genau drei der Kondensatormodule auf, welche jeweils über ein Befestigungsmittel und ein Sicherungsmittel an die Kühlkörpereinrichtung angebunden sind. Es wird somit eine Kondensatoreinheit vorgeschlagen, welche sich im montierten Zustand der Kontaktplatte an der Kühlkörpereinrichtung durch eine gleichmäßige Kraftverteilung auszeichnet.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung mit der Kondensatoreinheit, wie diese bereits zuvor beschrieben wurde. Die Leistungselektronikanordnung dient insbesondere zur Ansteuerung und/oder zur Versorgung einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine kann als ein Haupt- oder Hilfsantrieb, insbesondere für ein Fahrzeug, ausgebildet und/oder geeignet sein. Die Leistungselektronikanordnung weist ein oder mehrere Leistungsmodule und mindestens eine Versorgungseinrichtung auf. Dabei ist das Leistungsmodul über den Leistungsanschluss und die Versorgungseinrichtung über den Versorgungsanschluss mit dem Zwischenkreiskondensator elektrisch leitend verbunden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand einer Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Leistungselektronikanordnung mit einer Kondensatoreinheit als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Explosionsdarstellung einer Kondensatoreinheit für die Leistungselektronikanordnung gemäß 1 ;
- 3 eine Schnittdarstellung der Kondensatoreinheit der 2;
- 4 eine perspektivische Darstellung eines Sicherungsmittels der Kondensatoreinheit in einer ersten Ausführungsvariante;
- 5 das Sicherungsmittel in gleicher Darstellung wie in 4 in einer zweiten Ausführungsvariante;
- 6 das Sicherungsmittel in gleicher Darstellung wie in 4 in einer dritten Ausführungsvariante;
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Leistungselektronikanordnung 1, welche beispielsweise zur Ansteuerung und/oder zur Versorgung eines - nicht dargestellten - Elektromotors eines Fahrzeugs ausgebildet und/oder geeignet ist.
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Die Leistungselektronikanordnung 1 weist eine Kondensatoreinheit 2 sowie eine schematische angedeutete Versorgungseinrichtung 3 und eine schematische angedeutete Leistungselektronik 4 auf. Die Versorgungseinrichtung 3 ist beispielsweise als Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie, ausgebildet, welcher zur Speicherung elektrischer Energie dient. Die Leistungselektronik 4 ist beispielsweise als ein Wechselrichter bzw. Inverter ausgebildet, welcher zur Wandlung einer Gleichspannung der Versorgungseinrichtung 3 in eine Wechselspannung für die elektrische Maschine dient.
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Die Kondensatoreinheit 2 weist einen Zwischenkreiskondensator 5 zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie aus der Versorgungseinrichtung 3 auf. Der Zwischenkreiskondensator 5 weist drei Kondensatormodule 6 auf, welche gemeinsam auf einer Kontaktplatte 7 angeordnet und zu einer Kondensatorbank zusammengeschlossen sind. Die Kondensatormodule 6 sind beispielsweise als einzelne Wickelkondensatoren ausgebildet, wobei jeweils ein Kondensatormodul 6 mit mindestens einem Leistungsmodul 8 der Leistungselektronik 4 elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Kontaktplatte 7 weist hierzu einen Versorgungsanschluss 9 zum elektrischen Anschluss der Versorgungseinrichtung 3 auf. Beispielsweise ist der Versorgungsanschluss 9 als ein Gleichstromanschluss mit einem Pluspol und einem Minuspol ausgebildet. Weiterhin weist die Kontaktplatte 7 mehrere Leistungsanschlüsse 10 zum Anschluss der Kondensatormodule 6 an die Leistungsmodule 8 auf. Beispielsweise sind die Leistungsanschlüsse 10 als ein Wechselstromanschluss mit einem Pluspol und zwei Minuspolen ausgebildet. Der Zwischenkreiskondensator 5 ist somit zwischen dem Gleichstrom der Versorgungseinrichtung 3 und dem Wechselstrom der Leistungselektronik 4 platziert.
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2 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Kondensatoreinheit 2, wie diese in 1 beschrieben wurde. Die Kondensatoreinheit 2 weist eine Kühlkörpereinrichtung 11 auf, welche zur Kühlung des Zwischenkreiskondensators 5 dient. Die Kühlkörpereinrichtung 11 ist hierzu als ein Kühlkörper ausgebildet, welcher beispielsweise zur aktiven Kühlung mit einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden kann. Die Kühlkörpereinrichtung 11 weist ein Kühlkontaktfläche 12 auf, welche mit einer den Kondensatormodulen 6 abgewandten Bodenfläche 13 der Kontaktplatte 7 thermisch gekoppelt ist.
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Die Kondensatoreinheit 2 weist eine Befestigungseinheit 14 auf, welche zur kraftschlüssigen Befestigung der Kühlkörpereinrichtung 11 an dem Zwischenkreiskondensator 5 dient. Die Befestigungseinheit 14 weist je Kondensatormodul 6 ein Befestigungsmittel 15 und ein Sicherungsmittel 16 auf, wobei die Befestigungsmittel 15 in Bezug auf eine Befestigungsmittelachse A durch jeweils eine Führungsöffnung 17 sowie jeweils eine zentrische Befestigungsöffnung 18 des jeweiligen Kondensatormoduls 6 koaxial geführt und in dem jeweils zugehörigen Sicherungsmittel 16 verankert sind. Das Befestigungsmittel 15 ist beispielsweise als eine Schraube und das Sicherungsmittel 16 als eine Art Schraubenmutter ausgebildet, wobei das Befestigungsmittel 15 in einem Montagezustand in das Sicherungsmittel 16 eingeschraubt ist.
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Das Sicherungsmittel 16 weist einen Abtstützbund 19 auf, wobei das Sicherungsmittel 16 in axialer Richtung in Bezug auf die Befestigungsmittelachse A an dem jeweils zugehörigen Kondensatormodul 6 abgestützt ist. Der Abstützbund 19 erstreckt sich hierzu in einer Radialebene der Befestigungsmittelachse A und liegt somit in axialer Richtung flächig, insbesondere planflächig, an einer Außenseite des entsprechenden Kondensatormoduls 6 an. Die Kondensatormodule 6 sind mittels eines Vergussmaterials 20 gemeinsam mit der Kontaktplatte 7 vergossen, wobei die Sicherungsmittel 16 über den Abstützbund 19 an einer Außenseite des Vergussmaterials 20 anliegen. Die Kondensatormodule 6 und die Kontaktplatte 7 sind bis auf den Versorgungsanschluss 9, die Leistungsanschlüsse 10 sowie die Bodenfläche 13 vollständig durch das Vergussmaterial 20 umgeben. Das Vergussmaterial 20 kann beispielsweise eine Kunststoff-Vergussmasse sein.
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Durch Einschrauben der Befestigungsmittel 15 in das jeweils zugehörige Sicherungsmittel 16 wird eine Befestigungskraft F auf den Zwischenkreiskondensator 5 aufgebracht, sodass die Bodenfläche 13 und die Kühlkontaktfläche 12 zusammengepresst werden. Durch den Abstützbund 19 wird die Befestigungskraft F gleichmäßig auf die Kondensatormodule 6 verteilt, sodass eine Flächenpressung zwischen Kühlkontaktfläche 12 und Bodenfläche 13 reduziert ist und somit die Kühlleistung verbessert werden kann.
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Die Kondensatoreinheit 2 weist eine Wärmeleitschicht 21 auf, welche zur Verbesserung der thermischen Kopplung zwischen Kontaktplatte 7 und Kühlkörpereinrichtung 11 dient. Die Wärmeleitschicht 21 ist durch ein Wärmeleitpad aus thermisch wärmeleitenden Material gebildet, welches zwischen Bodenfläche 13 und Kühlkontaktfläche 12 angeordnet ist. Die Wärmeleitschicht 21 ist dabei deckungsgleich und/oder vollflächig zur Kühlkontaktfläche 12 ausgebildet.
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Die Kondensatoreinheit 2 weist optional eine Isolationsschicht 22 auf, welche zur elektrischen Isolierung der Kontaktplatte 7 gegenüber der Kühlkörpereinrichtung 11 dient. Die Isolationsschicht 22 ist durch eine Isolationsfolie aus elektrisch isolierenden Material gebildet, welche zwischen Bodenfläche 13 und Kühlkontaktfläche 12, insbesondere der Wärmeleitschicht 21, angeordnet ist. Die Isolationsschicht 22 ist dabei deckungsgleich und/oder vollflächig zur Bodenfläche 13 ausgebildet.
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3 zeigt in einer Schnittdarstellung entlang der Befestigungsmittelachse A die Kondensatoreinheit 2. Die Kontaktplatte 7 weist eine erste und eine zweite Stromschiene 23, 24 auf, wobei der Pluspol des Versorgungsanschlusses 9 über die erste Stromschiene 23 mit dem Pluspol der Leistungsanschlüsse 10 polaritätsgerecht verbunden ist und wobei der Minuspol des Versorgungsanschlusses 9 über die zweite Stromschiene 24 mit den Minuspolen der Leistungsanschlüsse 10 polaritätsgerecht verbunden ist. Die beiden Stromschienen 23, 24 sind jeweils als ein plattenförmiges Leiterblech ausgebildet, wobei die Bodenfläche 13 durch die erste Stromschiene 23 gebildet ist. Beispielsweise können die beiden Stromschienen 23, 24 aus Aluminium gefertigt sein.
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Der Abstützbund 19 der Sicherungsmittel 16 weist jeweils einen Abstützbereich 25 und einen Freibereich 26 auf, wobei der Abstützbund 19 in dem Abstützbereich 25 an dem jeweils zugehörigen Kondensatormodul 6 abgestützt ist und in dem Freibereich 26 von dem Kondensatormodul 6 beabstandet angeordnet ist. Der Abstützbereich 25 ist durch ein oder mehrere Abstützflächen 27 gebildet, über welche der Abstützbund flächig an dem Vergussmaterial 20 abgestützt ist. Die Abstützfläche 27 ist an einem radialen Außenrand des Abstützbundes 19 angeordnet, sodass die Krafteinleitungspunkte möglichst weit radial außen liegen.
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Das Befestigungsmittel 15 und das Sicherungsmittel 16 sind aus einem thermisch leitfähigen Material, beispielsweise einer Stahllegierung, gefertigt, wobei die Sicherungsmittel 16 über die Abstützflächen 27 thermisch mit dem jeweils zugehörigen Kondensatormodul 6 gekoppelt sind. Optional können die Freibereich 26 mit einem Wärmeleitmaterial, nicht dargestellt, aufgefüllt sein, um die Wärmeübertragung von dem Kondensatormodul 6 auf das Sicherungsmittel 16 zu verbessern. Somit verläuft ein Wärmeleitpfad von dem Kondensatormodul 6 über das Sicherungsmittel 16 und das Befestigungsmittel 15 hin zu der Kühlkörpereinrichtung 11, sodass die Kondensatormodule beidseitig gekühlt werden.
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Das Sicherungsmittel 16 weist einen Hülsenabschnitt 28 mit einem Innengewinde auf, in welche das Befestigungsmittel 15 über ein Außengewinde eingeschraubt ist. Der Hülsenabschnitt 28 erstreckt sich in axialer Richtung in Bezug auf die Befestigungsmittelachse A innerhalb des Befestigungsöffnung 18, wobei der Hülsenabschnitt 28 zumindest in radialer Richtung in Bezug auf die Befestigungsmittelachse A formschlüssig in der Befestigungsöffnung 18 aufgenommen ist. Die Befestigungsöffnung 18 ist als Stufenbohrung ausgebildet. Der Abstützbund 19 schließt sich in radialer Richtung unmittelbar an den Hülsenabschnitt 28 an, wobei der Abstützbund 19 und der Hülsenabschnitt 28 aus einem gemeinsamen Materialabschnitt gefertigt sind.
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Die 4 bis 6 zeigen jeweils in einer perspektivischen Darstellung das Sicherungsmittel 16 in unterschiedlichen Ausführungsvarianten als verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Gemäß 4 weist der Abstützbund 19 eine polygonale, insbesondere sechseckige Grundform auf. Der Abstützbereich 25 ist durch eine umlaufende Abstützfläche 27 gebildet, welche sich umlaufend um die Befestigungsmittelachse A an dem Außenrand des Abstützbundes 19 erstreckt. Weiterhin ist der Abstützbereich 25 durch eine konzentrisch zur der Abstützfläche 27 angeordnete weitere Abstützfläche 29 auf, welche sich umlaufend um die Befestigungsmittelachse A an einem Innenrand des Abstützbundes 19 bzw. um den Hülsenabschnitt 28 erstreckt. In einem Montagezustand liegt der Abstützbund somit über die Abstützfläche 27 radial außen und über die weitere Abstützfläche 29 radial innen an dem jeweils zugehörigen Kondensatormodul 6 an.
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Gemäß 5 und 6 weist der Abstützbund 19 eine blütenförmige, insbesondere dreipassförmige bzw. in der Form eines Dreipasses ausgebildete Grundform auf. Insbesondere besteht die Grundform des Abstützbundes 19 aus drei nach außen weisende Kreisbögen mit gleichen Radien, die einem Kreis einbeschrieben sind. Der Abstützbereich 25 ist durch eine umlaufend segmentierte Abstützfläche 27 gebildet, wobei die dadurch gebildeten Abstützflächen 27 sich jeweils bogen- bzw. sichelförmig an den Außenrändern der Kreisbögen erstrecken. Der Abstützbund 19 kann dabei wahlweise mit oder ohne weiterer Abstützfläche 29, wie in 4 beschrieben, ausgeführt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungselektronikanordnung
- 2
- Kondensatoreinheit
- 3
- Versorgungseinrichtung
- 4
- Leitungselektronik
- 5
- Zwischenkreiskondensator
- 6
- Kondensatormodule
- 7
- Kontaktplatte
- 8
- Leistungsmodule
- 9
- Versorgungsanschluss
- 10
- Leistungsanschlüsse
- 11
- Kühlkörpereinrichtung
- 12
- Kühlkontaktfläche
- 13
- Bodenfläche
- 14
- Befestigungseinheit
- 15
- Befestigungsmittel
- 16
- Sicherungsmittel
- 17
- Führungsöffnung
- 18
- Befestigungsöffnung
- 19
- Abstützbund
- 20
- Vergussmaterial
- 21
- Wärmeleitschicht
- 22
- Isolationsschicht
- 23
- erste Stromschiene
- 24
- zweite Stromschiene
- 25
- Abstützbereich
- 26
- Freibereich
- 27
- Abstützfläche
- 28
- Hülsenabschnitt
- 29
- weitere Abstützfläche
- 30
- Metallabdeckung
- 31
- Laschen
- A
- Befestigungsmittelachsen
- F
- Befestigungskraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018217780 A1 [0003]
