-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikeinheit. Die Leistungselektronikeinheit ist insbesondere in einem Fahrzeug verwendbar, um einem Antriebsmotor elektrische Energie aus einem Energiespeicher bereitzustellen.
-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik ist eine Leistungselektronik bekannt, die als Inverter für elektrische Maschinen in Fahrzeugen verwendbar ist. Eine solche Leistungselektronik wandelt eine Gleichspannung einer Batterie in Wechselspannung für die elektrische Maschine. Um den Spannungsripple Richtung Batterie zu dämpfen ist bekannt, einen Folienkondensator zu verwenden. Dieser weist üblicherweise mehrere Wickel auf, die einen Isolator auf Basis von Folien aus Polypropylen beinhalten.
-
Weiterhin ist aus der
EP 3 639 284 A1 bekannt, Folienkondensatoren bereitzustellen, die eine höhere Temperaturbeständigkeit als solche mit Folien aus lediglich Polypropylen aufweisen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Leistungselektronikeinheit weist eine optimierte Hitzebeständigkeit bei ebenso optimierten Herstellungskosten auf. Hierzu werden Isolierfolien mit höherer Temperaturbeständigkeit an wärmeren Stellen der Leistungselektronikeinheit und Isolierfolien mit geringerer Temperaturbeständigkeit an kälteren Stellen der Leistungselektronikeinheit verwendet.
-
Die Leistungselektronikeinheit weist einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss auf. Der Eingangsanschluss ist zum elektrischen Verbinden einer Gleichstromquelle vorgesehen, der Ausgangsanschluss zum elektrischen Verbinden einer elektrischen Maschine. Der Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss stellen somit Schnittstellen der Leistungselektronikeinheit dar, über die eine Interaktion zwischen Leistungselektronikeinheit und anderen Komponenten erfolgen kann. Bevorzugt handelt es sich bei dem Eingangsanschluss und/oder dem Ausgangsanschluss um elektrische Kontaktflächen und/oder elektrische Leitungen oder ähnliches.
-
Die Leistungselektronikeinheit weist außerdem einen elektrisch parallel zum Eingangsanschluss geschalteten Folienkondensator auf. Der Folienkondensator weist mehrere in Matrixform angeordnete Wickelelemente mit zumindest einem ersten Wickelelement und zumindest einem zweiten Wickelelement auf. Jedes erste Wickelelement umfasst gewickelte Elektroden mit einer dazwischen angeordneten ersten Isolierfolie. Jedes zweite Wickelelement umfasst gewickelte Elektroden mit einer dazwischen angeordneten zweiten Isolierfolie. Die erste Isolierfolie und/oder die zweite Isolierfolie ist insbesondere aus Kunststoff gefertigt, beispielsweise aus Polypropylen. Es ist vorgesehen, dass die erste Isolierfolie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist als die zweite Isolierfolie. Bevorzugt ist mit Ausnahme der Temperaturbeständigkeit der Isolierfolie ansonsten kein Unterschied zwischen dem ersten Wickelelement und dem zweiten Wickelelement vorhanden.
-
Weiterhin ist vorgesehen, dass das mindestens eine erste Wickelement an einem Rand der Matrixform angeordnet ist. An dieser Stelle ist eine höchste Temperatur des Folienkondensators zu erwarten, beispielsweise aufgrund von Wirbelströmen. Der Rand der Matrixform entspricht solchen Wickelelementen, die an einer Außenseite kein benachbartes Wickelelement aufweisen, wobei zumindest ein anderes Wickelelement des Folienkondensators an dessen korrespondierender Außenseite ein benachbartes Wickelelement aufweist. Mit anderen Worten ist der Rand der Matrixform durch die äußersten Zeilen und Spalten der Matrixform gebildet. Durch die Anordnung des zumindest einen ersten Wickelelements an einer solchen Position, insbesondere von mehreren ersten Wickelelementen an solchen Positionen, ist der Folienkondensator höheren Temperaturen aussetzbar als bei Verwendung des zweiten Wickelelements möglich wäre. Zusätzlich sind die aufgrund der hitzebeständigeren ersten Isolierfolie potentiell teureren ersten Wickelelemente nicht an allen Stellen der Matrix vorhanden, sodass Fertigungskosten für den Folienkondensator reduziert. Die Leistungselektronikeinheit erlaubt somit bei minimierten Fertigungskosten eine maximierte Temperaturbeständigkeit.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Die Matrixform weist bevorzugt eine Längsrichtung und eine Querrichtung auf. Es ist insbesondere vorgesehen, dass jedes erste Wickelelement in Querrichtung der Matrixform weiter außen angeordnet ist als jedes zweite Wickelelement. Auf diese Weise ist jedes erste Wickelelement optimal angeordnet, um zu erwartenden hohen Temperaturen zu begegnen.
-
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Wickelelemente jeweils eine Längserstreckungsrichtung aufweisen, die insbesondere einer Wickelachse entspricht. Die Wickelachse ist diejenige Achse, um die das Wickelelement gewickelt ist. Jedes zweite Wickelelement ist bevorzugt derart orientiert, dass die Längserstreckungsrichtung parallel zur Längsrichtung und senkrecht zur Querrichtung orientiert ist. Die zweiten Wickelelemente sind bevorzugt alle gleich orientiert. Somit lässt sich insbesondere auch eine optimale Wärmeverteilung erreichen.
-
Besonders vorteilhaft ist das zumindest eine erste Wickelelement derart orientiert, dass die Längserstreckungsrichtung senkrecht zur Längsrichtung und parallel zur Querrichtung orientiert ist. Somit ist das zumindest eine erste Wickelelement anders orientiert als die zweiten Wickelelemente. Dies ermöglicht, dass das erste Wickelelement in Querrichtung einen größeren Bereich des Folienkondensators überstreckt. Durch die Anordnung in Matrixform ergibt sich außerdem ein vergrößerter Abstand in Längsrichtung, verglichen mit den zweiten Wickelelementen. Damit kann ein größerer Bereich durch jedes erste Wickelelement abgedeckt werden als durch jedes zweite Wickelelement. Dies führt dazu, dass die zweiten Wickelelemente mit geringeren Temperaturbereichen des Folienkondensators in Kontakt gelangen, wodurch der Folienkondensator insgesamt mit höheren Temperaturen betreibbar ist. Somit ist die Temperaturbeständigkeit des Folienkondensators erhöht.
-
Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass die Matrixform dadurch gebildet ist, dass das zumindest eine erste Wickelelement seine Längserstreckungsrichtung parallel zur Längsrichtung und senkrecht zur Querrichtung aufweist. Somit ist jedes erste Wickelelement insbesondere gleich orientiert wie jedes zweite Wickelelement. Dies ermöglicht einen einfachen und homogenen Aufbau des Folienkondensators.
-
Bevorzugt weisen das zumindest eine erste Wickelelement und das zumindest eine zweite Wickelelement die gleichen Abmessungen auf. Somit sind die Wickelelemente bevorzugt gleichermaßen hergestellt. Die Matrixform lässt sich somit einfach und aufwandsarm herstellen, da unabhängig von den verschiedenen Temperaturbeständigkeiten eine gleiche Abmessung der Wickelelemente gegeben ist. Alternativ weist das zumindest eine ersten Wickelelement eine geringere Abmessung auf als das zumindest eine zweite Wickelelement. Unter der Abmessung ist wiederum insbesondere eine Wickeldicke zu verstehen. Somit überstreckt das erste Wickelelement einen geringeren Bereich als jedes zweite Wickelelement. Dies erlaubt ein optimales Anpassen der Abmessung des zumindest einen ersten Wickelelements an zu erwartende Ausdehnung des Bereichs des Folienkondensators mit erhöhter Temperatur. Daher ist eine maximierte Temperaturbeständigkeit bei minimierten Herstellungskosten erreicht.
-
Bevorzugt weist das zumindest eine erste Wickelelement in einem Teilbereich die erste Isolierfolie und in einem weiteren Teilbereich eine weitere Isolierfolie auf. Die weitere Isolierfolie weist bevorzugt eine geringere Temperaturbeständigkeit auf als die erste Isolierfolie. Somit sind verschiedene Temperaturbeständigkeiten innerhalb des ersten Wickelelements gegeben. Damit lässt sich noch genauer die Temperaturbeständigkeit des Folienkondensators an vorgegebene Anforderungen anpassen, um die benötigte Menge an erster Isolierfolie zu reduzieren, um Fertigungskosten des Folienkondensators und damit der Leistungselektronikeinheit zu senken.
-
Die Leistungselektronikeinheit weist bevorzugt zumindest ein Kühlelement auf. Das Kühlelement stellt an den zweiten Wickelelementen bevorzugt eine größere Kühlleistung bereit als an den ersten Wickelelementen. Somit lassen sich die Bereiche des Folienkondensators mit unterschiedlicher Temperaturbeständigkeit unterschiedlich kühlen. Dies ermöglicht insgesamt eine Reduzierung der gesamten benötigten Kühlleistung. Bevorzugt weist das Kühlelement einen ersten Abschnitt, der lediglich an ersten Wickelelementen anliegt, und einen zweiten Abschnitt, der lediglich an zweiten Wickelelementen anliegt. Auf diese Weise lassen sich an den einzelnen Abschnitten unterschiedliche Kühlleistungen erreichen, die zu den zuvor beschriebenen Vorteilen führen.
-
Besonders vorteilhaft weist das zumindest eine Kühlelement zumindest ein Kühlpad und/oder zumindest eine Stromschiene auf. Das Kühlpad und/oder die Stromschiene sind an dem zumindest einen zweiten Wickelelement bezüglich des zumindest einen ersten Wickelelements größer ausgeführt und/oder in größerer Anzahl vorgesehen. Damit ist der Folienkondensator an solchen Stellen, an denen eine höhere Temperaturbeständigkeit aufgrund des ersten Wickelelements gegeben ist, geringer kühlbar als an solchen Stellen, an denen eine geringere Temperaturbeständigkeit aufgrund des zweiten Wickelelements gegeben ist. Da eine gleichmäßige starke Kühlung somit vermieden ist, kann weniger Kühlenergie aufgewandt werden um den Folienkondensator in zulässigen Temperaturbereichen zu halten.
-
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer Leistungselektronikeinheit wie zuvor beschrieben in einem Kraftfahrzeug zur Umsetzung eines Gleichstroms in einen dreiphasigen Wechselstrom. Dazu ist die Leistungselektronikeinheit insbesondere mit einem Energiespeicher des Fahrzeugs, beispielsweise einem Hochvoltspeicher, elektrisch verbunden. Außerdem ist die Leistungselektronikeinheit insbesondere mit einem Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden. Somit kann der Traktionsmotor mit Energie aus dem Energiespeicher betrieben werden. Durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung des Folienkondensators der Leistungselektronikeinheit ist die Leistungselektronikeinheit für eine solche Verwendung optimal angepasst.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht der Leistungselektronikeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Detailansicht eines Wickels eines Folienkondensators der Leistungselektronikeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Detailansicht mehrerer Wickel des Folienkondensators der Leistungselektronikeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer ersten Alternative,
- 4 eine schematische Detailansicht mehrerer Wickel des Folienkondensators der Leistungselektronikeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer zweiten Alternative, und
- 5 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Verwendung der Leistungselektronikeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Fahrzeug.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
1 zeigt schematisch eine Leistungselektronikeinheit 1, die dazu verwendet wird, Gleichstrom einer Gleichstromquelle 10 in dreiphasigen Wechselstrom zu wandeln, um eine elektrische Maschine 11 damit zu betreiben. Die Leistungselektronikeinheit 1 weist dazu einen Eingangsanschluss 2 zum elektrischen Verbinden der Gleichstromquelle 10 und einen Ausgangsanschluss 3 zum elektrischen Verbinden der elektrischen Maschine 11 auf. Beispielsweise weist die Leistungselektronikeinheit 1 mehrere Schaltelemente 12 auf, um den Gleichstrom der Gleichstromquelle 10 in den dreiphasigen Wechselstrom umzuschalten.
-
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Leistungselektronikeinheit 1 einen elektrisch parallel zum Eingangsanschluss 2 geschalteten Folienkondensator 4 aufweist. Der Folienkondensator 4 dient insbesondere zum Dämpfen von Spannungsrippeln in Richtung der Gleichstromquelle 10 dient. Dieser Folienkondensator 4 weist mehrere Wickelelemente 5a, 5b, deren Aufbau in 2 gezeigt ist.
-
Jedes Wickelelement 5a, 5b weist, wie in 2 gezeigt, mehrere Lagen auf, die entlang einer Wickelachse 400 gewickelt sind. Diese Lagen setzen sich zusammen aus Elektroden 6 und Isolierfolien 7, 8, wobei jedes Wickelelement 5a, 5b eine erste Isolierfolie 7 oder eine zweite Isolierfolie 8 aufweisen kann. Es handelt sich um ein erstes Wickelelement 5a, wenn eine erste Isolierfolie 7 verwendet ist und um ein zweites Wickelelement 5b, wenn eine zweite Isolierfolie 8 verwendet ist. Die erste Isolierfolie 7 weist eine höhere Temperaturbeständigkeit auf als die zweite Isolierfolie 8. Ansonsten ist der Aufbau des ersten Wickelelements 5a und des zweiten Wickelelements 5b bevorzugt gleich. Die Isolierfolien 7, 8 sind bevorzugt aus Kunststoff gebildet, beispielsweise aus Polypropylen.
-
3 zeigt schematisch den Aufbau des Folienkondensators 4 aus den einzelnen Wickelelementen 5a, 5b. Die ersten Wickelelemente 5a und die zweiten Wickelelemente 5b sind entlang einer Matrixform angeordnet. Die Matrix weist in diesem Beispiel zwei Spalten entlang einer Längsrichtung 100 und sechs Reichen entlang einer Querrichtung 200 auf. An Rändern der Matrixform, insbesondere an einzelnen Rändern der Matrixform, ist die thermische Belastung des Folienkondensators 4 höher als an anderen Bereichen der Matrixform. Daher ist vorgesehen, dass die ersten Wickelelemente 5a nur an Rändern der Matrixform angeordnet sind, die Matrixform ansonsten durch die zweiten Wickelelemente 5b gebildet ist. In dem gezeigten Beispiel sind die beiden äußersten Reihen durch die erste Wickelemente 5a gebildet.
-
Durch die Verwendung der zweiten Wickelelemente 5b mit geringerer Temperaturbeständigkeit ist eine kostengünstige Herstellung des Folienkondensators 4 ermöglicht. Durch Kombination mit den ersten Wickelelementen 5a lässt sich die Temperaturbeständigkeit an solchen Stellen des Folienkondensators 4 erhöhen, an denen dies notwendig ist. Dies ist insbesondere aufgrund von Wirbelströmen an Rändern der Matrixform der Fall. Somit ist eine höhere Temperaturbeständigkeit erreicht als bei Verwendung der zweiten Wickelelemente 5b. Da die ersten Wickelelemente 5a teurer sind als die zweiten Wickelelemente 5b, werden die ersten Wickelelemente 5a nicht an allen Stellen der Matrixform verwendet. Somit wird ein Optimum zwischen Temperaturbeständigkeit und Herstellungskosten des Folienkondensators 4 erreicht.
-
Die ersten Wickelelemente 5a und die zweiten Wickelelemente 5b weisen jeweils eine Längserstreckungsrichtung 300 auf, die der Wickelachse 400 entspricht. In dem Beispiel wie in 2 gezeigt ist jedes erste Wickelelement 5a und jedes zweite Wickelelement 5b derart orientiert, dass die Längserstreckungsrichtung 300 parallel zur Längsrichtung 100 und senkrecht zur Querrichtung 200 orientiert ist. Außerdem weisen alle Wickelelemente 5a, 5b gleiche Abmessungen auf. Die ersten Wickelelemente 5a und zweiten Wickelelemente 5b unterscheiden sich somit nur durch die verschiedene Temperaturbeständigkeit, nicht aber durch ihre Form oder Ausrichtung. Dies vereinfacht den Aufbau des Folienkondensators 4.
-
Durch die unterschiedlichen Temperaturbeständigkeiten lassen sich außerdem die Kühlleistungen innerhalb des Folienkondensators 4 unterschiedlich dimensionieren. So sind verschiedene Kühlelemente 9a, 9b vorgesehen, die an den zweiten Wickelelementen 5b eine größere Kühlleistung bereitstellt als an den ersten Wickelelementen 5a. Die Kühlelemente 9a, 9b sind insbesondere Kühlpads und/oder Stromschienen. Die unterschiedliche Kühlleistung wird dadurch erreicht, dass an den zweiten Wickelelementen 5b ein zweites Kühlelement 9b vorhanden ist, das bezüglich eines jeweiligen ersten Kühlelements 9a an den ersten Wickelelementen 5a leistungsstärker ausgeführt ist. Dies lässt sich beispielsweise durch mehrere und/oder größere Kühlpads und/oder Stromschienen als zweite Kühlelement 9b umsetzen.
-
4 zeigt eine alternative Anordnung der ersten Wickelelemente 5a und zweiten Wickelelemente 5b. Die ersten Wickelelemente 5a weisen in dieser Alternative eine geringere Abmessung quer zur Längserstreckungsrichtung 300 auf als die zweiten Wickelelemente 5b. Dies bedeutet, die Wickeldicke der ersten Wickelelemente 5a ist geringer als die der zweiten Wickelelemente 5b. Eine geringere Wickeldicke lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass weniger Wicklungen um die Wickelachse 400 erfolgen. Durch die geringere Abmessung der ersten Wickelelemente 5a ist auch die Menge an benötigten Materialen reduziert, wodurch eine Herstellungskostenersparnis erreicht ist. Wird eine erhöhte Temperaturbeständigkeit an dem Folienkondensator 4 nur an einem geringen Bereich am Rand der Matrixform benötigt, so kann durch die geringere Abmessung des kostenaufwändigeren ersten Wickelelements 5a wiederum eine Kostenreduzierung und damit ein gewünschtes Optimum zwischen Temperaturbeständigkeit und Herstellungskosten erreicht werden.
-
Ebenso ist beispielhaft dargestellt, dass die ersten Wickelelemente 5a anders als die zweiten Wickelelemente 5b orientiert sind. So ist beispielsweise die Längserstreckungsrichtung 300 der ersten Wickelelemente 5a parallel zur Querrichtung 200 und senkrecht zur Längsrichtung 100. Dies ermöglicht, dass die ersten Wickelelemente 5a einen größeren Bereich in Querrichtung 200 überstrecken als die zweiten Wickelelemente 5b. Somit lässt sich der Bereich, der durch die temperaturbeständigeren ersten Wickelelemente 5a überdeckt ist, im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Verringerung durch diese Maßnahme vergrößern. Wiederum lässt sich somit ein Optimum zwischen gewünschter Temperaturbeständigkeit und Herstellungskosten erreichen.
-
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung weist zumindest ein erstes Wickelelement 5a in einem Teilbereich die erste Isolierfolie 7 und in einem weiteren Teilbereich eine weitere Isolierfolie auf. Die erste Isolierfolie 7 weist eine höhere Temperaturbeständigkeit auf als die weitere Isolierfolie. Die weitere Isolierfolie ist beispielsweise die zweite Isolierfolie 8. Somit lässt sich innerhalb des ersten Wickelelements 5a eine unterschiedliche Temperaturbeständigkeit erreichen, sodass eine noch feinere Einstellung der Temperaturbeständigkeit einzelner Bereiche der Matrixform des Folienkondensators ermöglicht ist.
-
5 zeigt schematisch ein Fahrzeug 13, in dem die Leistungselektronikeinheit 1 angeordnet ist. Die Leistungselektronikeinheit 1 ermöglicht das Betreiben der elektrischen Maschine 11, die ein Traktionsmotor zum Antreiben von Rädern 14 des Fahrzeugs 13 ist, mit Energie aus der Gleichstromquelle 10, die ein Hochvoltspeicher des Fahrzeugs 13 ist. Durch die Verwendung des Folienkondensators 4 wie zuvor beschrieben ist die Leistungselektronikeinheit 1 einerseits temperaturbeständig, andererseits kostengünstig herstellbar und eignet sich damit optimal für die Verwendung in Fahrzeugen 13.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
