DE102022201035A1 - Inverters with optimized scalability - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter (10) zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend einen Zwischenkreiskondensator (14), der ein Kondensatorgehäuse (142) aufweist, an dem ein Kondensatoreingang (144) und mehrere Kondensatorausgänge (146A-C) ausgebildet sind, mehrere Phaseneinheiten (16A-C), die jeweils ein oder mehrere Halbbrückenmodule (162A-C, 164A-C, 166A-C) umfassen, die zum Einspeisen eines DC-Stroms mit einem der Kondensatorausgänge (146A-C) elektrisch verbunden und in jeder der Phaseneinheiten (16A-C) entlang einer Reihenrichtung aneinandergereiht sind, wobei die Phaseneinheiten (16A-C) entlang einer Umfangsrichtung des Kondensatorgehäuses (142) oder eines mit dem Kondensatorgehäuse (142) verbundenen Invertergehäuses (20) verteilt angeordnet sind, mehrere AC-Ausgänge (18A-C), die jeweils mit einer der Phaseneinheiten (16A-C) elektrisch verbunden sind, um mehrere basierend auf dem DC-Strom erzeugte AC-Phasenströme bereitzustellen.The invention relates to an inverter (10) for powering an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising an intermediate circuit capacitor (14) which has a capacitor housing (142) on which a capacitor input (144) and a plurality of capacitor outputs (146A- C) are formed, a plurality of phase units (16A-C), each comprising one or more half-bridge modules (162A-C, 164A-C, 166A-C) for feeding a DC current to one of the capacitor outputs (146A-C) are electrically connected and lined up in each of the phase units (16A-C) along a row direction, the phase units (16A-C) being distributed along a circumferential direction of the capacitor case (142) or an inverter case (20) connected to the capacitor case (142). , multiple AC outputs (18A-C), each electrically connected to one of the phase units (16A-C) to provide multiple AC phase currents generated based on the DC current.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Wechselrichter sowie ein entsprechendes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.The invention relates to an inverter for energizing an electric axle drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle, a corresponding electric axle drive with such an inverter, and a corresponding vehicle with such an electric axle drive.
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 (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Wechselrichter 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 electrical machine (E-machine) of an electric vehicle or a hybrid vehicle.
Derartige Wechselrichter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren, etwa MOSFETs oder IGBTs, gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente als sogenannte Halbbrücken auszugestalten, die über eine Highside-Einrichtung und eine Lowside-Einrichtung verfügen. Diese Highside- bzw. Lowside-Einrichtung umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die im Betrieb des Wechselrichters gezielt gesteuert werden, um aus einem eingangsseitig der Halbbrücken eingespeisten DC-Strom mehrere voneinander zeitlich versetzte Phasenströme eines AC-Stroms zu erzeugen, wobei die Phasenströme jeweils für sich zeitlich veränderlich sind.Such inverters usually include semiconductor switching elements, which are typically formed from transistors, such as MOSFETs or IGBTs. In this context, it is known to design the semiconductor switching elements as so-called half-bridges, which have a high-side device and a low-side device. This high-side or low-side device comprises one or more semiconductor switching elements connected in parallel, which are controlled in a targeted manner during operation of the inverter in order to generate a plurality of phase currents of an AC current that are offset in time from a DC current fed into the input side of the half bridges, the phase currents each are themselves variable over time.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichter sind bauartbedingt in ihrer Skalierbarkeit limitiert. Dies erschwert eine breitgefächerte Anwendung dieser bekannten Wechselrichter für verschiedene Fahrzeugleistungsklassen.The inverters known from the prior art are limited in terms of their scalability due to their design. This makes it difficult for these known inverters to be widely used for different vehicle power classes.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Wechselrichter bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.It is an object of the invention to provide an inverter in order to at least partially eliminate the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Wechselrichter, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug 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 inverter, the electric axle drive and the vehicle according to the independent patent claims. Advantageous refinements and developments of the invention emerge from the dependent patent claims.
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Der Wechselrichter umfasst einen Zwischenkreiskondensator, der ein Kondensatorgehäuse aufweist. Am Kondensatorgehäuse ist zum einen ein Kondensatoreingang zum Verbinden mit einer DC-Spannungsquelle, vorzugsweise über einen dazwischen geschalteten DC-Eingang des Wechselrichters, ausgebildet. Zum anderen sind am Kondensatorgehäuse mehrere Kondensatorausgänge zum Verbinden mit mehreren Phaseneinheiten ausgebildet. Der Wechselrichter umfasst die Phaseneinheiten, vorzugsweise drei Phaseneinheiten, um einen dreiphasigen Wechselstrom zu erzeugen. Die Phaseneinheiten umfassen jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbbrückenmodule, die zum Einspeisen eines mittels der DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Stroms mit einem der Kondensatorausgänge elektrisch verbunden sind. Dies bedeutet, dass jeder Phaseneinheit ein bestimmter Kondensatorausgang fest (bzw. in einer Eins-zu-eins-Entsprechung) zugeordnet ist. Die elektrische Verbindung zwischen den Halbbrückenmodulen und den Kondenatorausgängen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe mehrerer DC-Stromschienen. Eine Phaseneinheit ist also eine Baugruppe, die einer bestimmten Phase zugeordnet ist und wenigstens ein, bevorzugt wenigstens zwei, insbesondere drei, Halbbrückenmodule aufweist.The invention relates to an inverter for operating an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle. The inverter includes an intermediate circuit capacitor, which has a capacitor housing. On the one hand, a capacitor input for connection to a DC voltage source, preferably via a DC input of the inverter connected in between, is formed on the capacitor housing. On the other hand, a plurality of capacitor outputs for connecting to a plurality of phase units are formed on the capacitor housing. The inverter comprises the phase units, preferably three phase units, to generate a three-phase alternating current. The phase units each include one or more half-bridge modules connected in parallel, which are electrically connected to one of the capacitor outputs for feeding in a DC current provided by the DC voltage source. This means that each phase unit is dedicated (or in a one-to-one correspondence) to a specific capacitor output. The electrical connection between the half-bridge modules and the capacitor outputs is preferably made using a number of DC busbars. A phase unit is therefore an assembly that is assigned to a specific phase and has at least one, preferably at least two, in particular three, half-bridge modules.
Das Halbbrückenmodul im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine modular ausgelegte Brückenschaltanordnung, die eine Modulhighside und eine Modullowside umfasst. Somit ist in jedem einzelnen Halbbrückenmodul eine vollständige Halbbrücke ausgebildet. Die Modulhighside und die Modullowside umfassen jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die vorzugsweise als Transistoren, etwa MOSFETs und/oder IGBTs, ausgebildet sind. In jeder der Phaseneinheiten sind die Modulhighsides zueinander parallelgeschaltet und bilden eine gemeinsame Highside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit. Zugleich sind die Modullowsides in jeder der Phaseneinheiten ebenfalls zueinander parallelgeschaltet und bilden eine gemeinsame Lowside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit. Dies bedeutet, dass je nach Leistungsklasse des Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs, in dem ein elektrischer Achsantrieb mit dem erfindungsgemäßen Wechselrichter integriert wird, die durch Phaseneinheiten jeweils tragbare maximale Strommenge durch eine geeignete Wahl der Anzahl an Halbbrückenmodulen pro Phaseneinheit nach oben oder unten skalierbar ist.The half-bridge module within the meaning of the present invention is a modular bridge switching arrangement that includes a module high side and a module low side. A complete half-bridge is thus formed in each individual half-bridge module. The module high side and the module low side each comprise one or more semiconductor switching elements connected in parallel, which are preferably in the form of transistors, for example MOSFETs and/or IGBTs. In each of the phase units, the module highsides are connected in parallel to one another and form a common highside device for the entire phase unit. At the same time, the module lowsides in each of the phase units are also connected in parallel to one another and form a common lowside device for the entire phase unit. This means that depending on the power class of the electric or hybrid vehicle in which an electric axle drive is integrated with the inverter according to the invention, the maximum amount of current that can be carried by phase units can be scaled up or down by a suitable choice of the number of half-bridge modules per phase unit.
Jedes Halbbrückenmodul verfügt über mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des DC-Stroms und zum Abgeben der Phasenströme sowie über mehrere Signalanschlüsse zum Übertragen von Steuersignalen zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente. Vorzugsweise sind die Halbleiterschaltelemente, die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse mit einem stromisolierenden Material verkleidet, sodass nur Endabschnitte der Leistungsanschlüsse und/oder Signalanschlüsse über mehrere Oberflächen der Verkleidung hinausragen. Die Verkleidung kann durch eine Vergussmasse gebildet sein, die mittels Umspritzens der jeweiligen Halbbrückenmodule entsteht. Die Endabschnitte der Leistungsanschlüsse und/oder Signalanschlüsse sind weiter vorzugsweise von einer Seitenfläche der Verkleidung ausgehend vertikal nach oben gebogen, sodass diese vorteilhafterweise von oben kontaktierbar sind.Each half-bridge module has multiple power connections for feeding in the DC current and outputting the phase currents, as well as multiple signal connections for transmitting control signals for driving the semiconductor switching elements. Preferably, the semiconductor switching elements, the power connections and the signal connections are covered with a current-insulating material so that only end sections of the power connections and/or signal connections protrude beyond several surfaces of the cover. The cladding can be formed by a casting compound that is created by overmolding the respective half-bridge modules. The end sections of the power connections and/or signal connections are also preferably bent vertically upwards, starting from a side surface of the casing, so that they can advantageously be contacted from above.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung sind die Halbbrückenmodule in jeder der Phaseneinheiten entlang einer Reihenrichtung angeordnet bzw. aneinandergereiht. Die Phaseneinheiten sind gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung entlang einer Umfangsrichtung des Kondensatorgehäuses oder eines mit dem Kondensatorgehäuse verbundenen Invertergehäuses verteilt angeordnet bzw. an diesem befestigt. Beispielsweise weist das Kondensatorgehäuse und/oder das Invertergehäuse einen rechteckigen, etwa quadratischen Querschnitt in horizontaler Richtung auf. In diesem Fall kann, wenn der Wechselrichter drei Phaseneinheiten umfasst, jede der drei Phaseneinheiten an einem von drei Rändern des rechteckigen bzw. quadratischen Umfangs befestigt sein, sodass die jeweilige Reihenrichtung zum zugehörigen Rand parallel steht. Das Kondensatorgehäuse bzw. das Invertergehäuse kann jedoch mit einer beliebigen Querschnittsform in horizontaler Richtung ausgebildet sein. Unter „Ränder“ können unter Umständen auch verschiedene Abschnitte einer geometrischen Form, etwas eines Kreises oder Halbkreises, verstanden werden.According to a first aspect of the invention, the half-bridge modules are arranged or lined up in each of the phase units along a row direction. According to the first aspect of the invention, the phase units are distributed along a circumferential direction of the capacitor case or an inverter case connected to the capacitor case or are fixed thereto. For example, the capacitor case and/or the inverter case has a rectangular, approximately square cross section in the horizontal direction. In this case, if the inverter comprises three phase units, each of the three phase units can be attached to one of three edges of the rectangular or square perimeter so that the respective row direction is parallel to the associated edge. However, the capacitor case and the inverter case may be formed with any cross-sectional shape in the horizontal direction. "Borders" may also mean different sections of a geometric shape, such as a circle or semicircle.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung sind die sind die Halbbrückenmodule in jeder der Phaseneinheiten entlang einer Querrichtung des Kondensatorgehäuses oder des Invertergehäuses aneinandergereiht. Die Phaseneinheiten sind gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung entlang einer zur Querrichtung senkrechten Längsrichtung des Kondensatorgehäuses oder des Invertergehäuses verteilt an diesem befestigt.According to a second aspect of the invention, the half-bridge modules in each of the phase units are lined up along a transverse direction of the capacitor case or the inverter case. According to the second aspect of the invention, the phase units are distributedly attached to the capacitor case or the inverter case along a longitudinal direction perpendicular to the transverse direction.
Der Wechselrichter umfasst ferner mehrere AC-Ausgänge, die jeweils mit einer der Phaseneinheiten elektrisch verbunden sind, um mehrere basierend auf dem DC-Strom erzeugte AC-Phasenströme bereitzustellen. Jede Phaseneinheit ist dazu ausgebildet, einen der Phasenströme basierend auf dem DC-Strom zu erzeugen. Die AC-Ausgänge umfassen vorzugsweise jeweils eine AC-Stromschiene, die mit einem oder mehreren AC-Leistungsanschlüssen der zugehörigen Phaseneinheit elektrisch verbunden ist.The inverter further includes multiple AC outputs, each electrically connected to one of the phase units to provide multiple AC phase currents generated based on the DC current. Each phase unit is configured to generate one of the phase currents based on the DC current. The AC outlets preferably each include an AC power rail electrically connected to one or more AC power terminals of the associated phase unit.
Erfindungsgemäß ist daher ein Wechselrichter realisiert, bei dem der Zwischenkreiskondensator gleichzeitig mit mehreren Phaseneinheiten verschaltet ist und diesen daher zur Verfügung steht. Eine kompakte Bauweise ist hierdurch erzielt, wobei der Herstellungsaufwand vergleichsweise reduziert ist.According to the invention, an inverter is therefore implemented in which the intermediate circuit capacitor is simultaneously connected to a plurality of phase units and is therefore available to them. A compact design is achieved in this way, with the production costs being comparatively reduced.
Gemäß einer Ausführungsform stehen die Reihenrichtungen benachbarter Phaseneinheiten senkrecht oder gewinkelt zueinander. Wenn das Kondensatorgehäuse bzw. das Invertergehäuse horizontal einen beispielhaften rechteckigen Querschnitt aufweist, können die Phaseneinheiten jeweils entlang eines der vier Ränder angeordnet sein. In diesem Fall stehen die Reihenrichtungen benachbarter Phaseneinheiten senkrecht zueinander. Wenn das Kondensatorgehäuse bzw. das Invertergehäuse horizontal einen beispielhaften Querschnitt mit mehreren zueinander gewinkelten Rändern aufweist, können die Phaseneinheiten jeweils entlang dieser Ränder angeordnet sein. In diesem Fall stehen die Reihenrichtungen benachbarter Phaseneinheiten gewinkelt zueinander.According to one embodiment, the row directions of adjacent phase units are perpendicular or at an angle to one another. If the capacitor case or the inverter case has an exemplary rectangular cross-section horizontally, the phase units can each be arranged along one of the four edges. In this case, the row directions of adjacent phase units are perpendicular to each other. If the capacitor housing or the inverter housing has an exemplary horizontal cross-section with a plurality of edges angled towards one another, the phase units can each be arranged along these edges. In this case, the row directions of adjacent phase units are at an angle to one another.
Gemäß einer weiteren Ausführung sind die Phaseneinheiten auf einer Oberseite des Kondensatorgehäuses oder des Invertergehäuses angeordnet. Die Oberseite des Kondensatorgehäuses bzw. des Invertergehäuses erstreckt sich entlang einer horizontalen Ebene und zeigt vertikal nach oben. Diese Maßnahme ermöglicht einen Wechselrichter mit einer besonders kompakten Bauform, da die Phaseneinheiten vertikal mit dem Kondensatorgehäuse bzw. dem Invertergehäuse räumlich überlappen. Es ist daher nicht erforderlich, zusätzliche seitliche Bauräume zum Platzieren der Phaseneinheiten bereitzustellen.According to a further embodiment, the phase units are arranged on a top side of the capacitor housing or the inverter housing. The top of the capacitor case or the inverter case extends along a horizontal plane and points vertically upwards. This measure enables an inverter with a particularly compact design, since the phase units spatially overlap vertically with the capacitor housing or the inverter housing. It is therefore not necessary to provide additional lateral space for placing the phase units.
Gemäß einer weiteren Ausführung erstrecken sich die AC-Ausgänge an einem zusätzlichen Rand des Kondensatorgehäuses oder des Invertergehäuses seitlich über die Oberseite des Kondensatorgehäuses bzw. des Invertergehäuses hinaus. Wenn das Kondensatorgehäuse oder das Invertergehäuse horizontal einen beispielhaften rechteckigen Querschnitt aufweist, können die drei Phaseneinheiten an drei der vier Ränder der rechteckigen Oberseite des Kondensatorgehäuses bzw. des Invertergehäuses angeordnet sein. Am vierten Rand können die AC-Ausgänge bzw. die AC-Stromschienen über den vierten Rand hinaus nach Außen geführt sein, um einen seitlichen Anschluss an die E-Maschine zu erleichtern.According to a further embodiment, the AC outlets extend laterally beyond the top of the capacitor housing or the inverter housing at an additional edge of the capacitor housing or the inverter housing. When the capacitor case or the inverter case has an exemplary rectangular cross-section horizontally, the three phase units can be arranged on three of the four edges of the rectangular top of the capacitor case or the inverter case, respectively. At the fourth edge, the AC outputs or the AC busbars can be routed to the outside beyond the fourth edge in order to facilitate a lateral connection to the electric machine.
Gemäß einer weiteren Ausführung sind die AC-Ausgänge in einem durch die Reihenrichtungen begrenzten Innenbereich auf der Oberseite des Kondensatorgehäuses oder des Invertergehäuses angeordnet. Wenn die Phaseneinheiten jeweils entlang eines der Ränder des Kondensatorgehäuses bzw. des Invertergehäuses angeordnet sind, können die Phaseneinheiten einen Innenraum einschließen. Durch den hieraus resultierenden Innenraum ist ein Bauraum geschaffen, der zum Platzieren der AC-Ausgänge bzw. AC-Stromschienen zwecks eines oberseitigen Anschlusses an die E-Maschine besonders geeignet ist.According to a further embodiment, the AC outputs are arranged in an inner area delimited by the row directions on the upper side of the capacitor housing or the inverter housing. When the phase units are each arranged along one of the edges of the capacitor case and the inverter case, respectively, the phase units can enclose an inner space. The interior space resulting from this creates a space that is particularly suitable for placing the AC outputs or AC busbars for the purpose of a top-side connection to the electric machine.
Gemäß einer weiteren Ausführung sind die Phaseneinheiten auf einer Oberseite des Invertergehäuses, welches das Kondensatorgehäuse vorzugsweise aufnimmt oder zumindest teilweise umschließt, außenseitig einer Oberseite des Kondensatorgehäuses angeordnet. Diese Anordnung der Phaseneinheiten begünstigt eine vorteilhafterweise flache Bauform des Wechselrichters.According to a further embodiment, the phase units are arranged on a top side of the inverter housing, which preferably accommodates or at least partially encloses the capacitor housing, on the outside of a top side of the capacitor housing. This arrangement of the phase units favors an advantageously flat design of the inverter.
Vorzugsweise erstrecken sich die AC-Ausgänge von den Phaseneinheiten ausgehend jeweils in einer vom Kondensatorgehäuse abgewandten Richtung. Dies erleichtert das Anschließen der AC-Ausgänge an die E-Maschine. Weiter vorzugsweise weist das Invertergehäuse mehrere zur Oberseite senkrechte Umfangsseiten auf, wobei die AC-Ausgänge von den Phaseneinheiten um einen Winkel, vorzugsweise einen Rechtswinkel, zu den Umfangsseiten hingebogen sind. Diese Maßnahme nutzt vorteilhafterweise die Höhe des Invertergehäuses und ermöglicht eine flache und gleichzeitig seitlich kompakte Bauform des Wechselrichters.Preferably, the AC outputs each extend from the phase units in a direction away from the capacitor housing. This makes it easier to connect the AC outputs to the electric machine. More preferably, the inverter housing has a plurality of peripheral sides perpendicular to the top, with the AC outputs from the phase units being bent toward the peripheral sides at an angle, preferably a right angle. This measure advantageously utilizes the height of the inverter housing and enables the inverter to have a flat and, at the same time, laterally compact design.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Phaseneinheiten jeweils auf einer Umfangsseiten des Kondensatorgehäuses oder des Invertergehäuses angeordnet. Das Kondensatorgehäuse bzw. das Invertergehäuse kann beispielsweise kastenförmig ausgebildet sein und vier zur Oberseite senkrecht stehende Umfangsseiten aufweisen. Die Phaseneinheiten weisen vorzugsweise jeweils eine Treibereinrichtung auf, die an der zugehörigen Umfangsseite des Kondensatorgehäuses bzw. des Invertergehäuses angebracht, wobei der Wechselrichter eine Steuereinrichtung umfasst, die auf einer Oberseite des Kondensatorgehäuses bzw. des Invertergehäuses angebracht ist. Das Invertergehäuse kann zwischen den Phaseneinheiten und dem Kondensatorgehäuse angeordnet und als Zwischenplatte ausgebildet sein. Eine solche Anordnung der Phaseneinheiten ermöglicht eine seitlich kompakte Bauform des Wechselrichters.According to a further embodiment, the phase units are each arranged on a peripheral side of the capacitor housing or the inverter housing. The capacitor housing or the inverter housing can be box-shaped, for example, and have four peripheral sides perpendicular to the upper side. The phase units preferably each have a driver device which is attached to the associated peripheral side of the capacitor housing or the inverter housing, with the inverter comprising a control device which is attached to a top side of the capacitor housing or the inverter housing. The inverter housing can be arranged between the phase units and the capacitor housing and can be designed as an intermediate plate. Such an arrangement of the phase units enables a laterally compact design of the inverter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Phaseneinheiten jeweils einen Kühlkörper auf, auf dem die Halbbrückenmodule angebracht sind. Der Kühlkörper ist daher ein für die Halbbrückenmodule der jeweiligen Phaseneinheiten gemeinsamer Kühlkörper. Je nach Anzahl der Halbbrückenmodule kann der Kühlkörper mit einer geeigneten Dimension ausgebildet sein. Diese Maßnahme ermöglicht eine wirksame lokale Kühlung der Halbbrückenmodule. Die verschiedenen Kühlkörper sind vorzugsweise voneinander räumlich getrennt.According to a further embodiment, the phase units each have a heat sink on which the half-bridge modules are attached. The heat sink is therefore a common heat sink for the half-bridge modules of the respective phase units. Depending on the number of half-bridge modules, the heat sink can be designed with a suitable dimension. This measure enables effective local cooling of the half-bridge modules. The various heat sinks are preferably spatially separated from one another.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst zumindest eine der Phaseneinheiten zumindest drei Halbbrückenmodule. Diese Maßnahme ermöglicht einen Wechselrichter, dessen maximale Strommenge besonders einfach nach der Leistungsklasse des Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs skalierbar ist. Beispielsweise können bei höheren Fahrzeugleistungen die mehreren Halbbrückenmodule eingesetzt werden, wobei jede Phaseneinheit einem Phasenstrom zugeordnet ist. Bei niedrigeren Fahrzeugleistungen kann nur ein Teil der Halbbrückenmodule, z.B. ein oder zwei von drei, eingesetzt und die anderen Halbbrückenmodule deaktiviert werden.According to a further embodiment, at least one of the phase units comprises at least three half-bridge modules. This measure enables an inverter whose maximum amount of electricity can be scaled particularly easily according to the power class of the electric or hybrid vehicle. For example, the multiple half-bridge modules can be used in the case of higher vehicle outputs, with each phase unit being assigned to a phase current. At lower vehicle powers, only part of the half-bridge modules, e.g. one or two out of three, can be used and the other half-bridge modules can be deactivated.
In der vorliegenden Erfindung wird eine zwischen den Phaseneinheiten und dem Zwischenkreiskondensator befindliche Lagerplatte - unabhängig von ihrer Form - als Invertergehäuse bezeichnet. Die Lagerplatte ist bevorzugt mit dem Außengehäuse des Inverters, das in den Figuren nicht dargestellt ist, fest verbunden und damit Teil des Gehäuses. Alternativ kann das als Invertergehäuse bezeichnete Bauteil als eigenständiges Teil angesehen werden und dementsprechend als Lagerplatte o.ä. benannt werden.In the present invention, a bearing plate located between the phase units and the intermediate circuit capacitor - regardless of its shape - is referred to as an inverter housing. The bearing plate is preferably firmly connected to the outer housing of the inverter, which is not shown in the figures, and is therefore part of the housing. Alternatively, the component referred to as the inverter housing can be regarded as an independent part and accordingly named as a bearing plate or similar.
Im Invertergehäuse verläuft bevorzugt wenigstens ein Kühlkanal, um Kühlfluid zu den Kühlkörpern zu führen. Dann kann das Invertergehäuse auch Kühlelement genannt werden.At least one cooling channel preferably runs in the inverter housing in order to conduct cooling fluid to the heat sinks. Then the inverter housing can also be called a cooling element.
Insbesondere kann das Kühlmedium auch ausschließlich im Invertergehäuse geführt werden. Die Kühlkörper dienen dann lediglich der Temperaturspreizung, sind aber im eigentlichen Sinne keine Kühlkörper mehr.In particular, the cooling medium can also be guided exclusively in the inverter housing. The heatsinks then only serve to spread the temperature, but are no longer really heatsinks.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Wechselrichter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wechselrichter beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Wechselrichter und das erfindungsgemäße Fahrzeug.The invention also relates to an electric axle drive with such an inverter and a vehicle with such an electric axle drive. This also results in the advantages already described in connection with the inverter according to the invention for the inverter according to the invention and the vehicle according to the invention.
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 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer allgemeinen Ausführungsform in einer Draufsicht, -
2 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht, -
3 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht, -
4 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht, -
5 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Perspektivansicht, -
6 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Perspektivansicht, -
7 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus6 in einer Perspektivansicht, -
8 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus6 in einer weiteren Perspektivansicht, -
9 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Perspektivansicht, -
10 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus9 in einer seitlichen Schnittansicht, wobei jeder Phaseneinheit ein Folienkondensator zugeordnet ist, -
11 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus9 in einer seitlichen Schnittansicht, wobei die Phaseneinheiten einen gemeinsamen Folienkondensator teilen.
-
1 a schematic representation of an inverter according to a general embodiment in a plan view, -
2 a schematic representation of an inverter according to a further embodiment in a side view, -
3 a schematic representation of an inverter according to a further embodiment in a plan view, -
4 a schematic representation of an inverter according to a further embodiment in a plan view, -
5 a schematic representation of an inverter according to a further embodiment in a perspective view, -
6 a schematic representation of an inverter according to a further embodiment in a perspective view, -
7 a schematic representation of the inverter6 in a perspective view, -
8th a schematic representation of the inverter6 in another perspective view, -
9 a schematic representation of an inverter according to a further embodiment in a perspective view, -
10 a schematic representation of the inverter9 in a side sectional view, with each phase unit being assigned a film capacitor, -
11 a schematic representation of the inverter9 in a side sectional view, with the phase units sharing a common film capacitor.
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 Zwischenkreiskondensator 14 weist ein Kondensatorgehäuse 142 auf, das einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt in der Zeichenebene mit vier Rändern 1422A-C, 1423 umfasst. Im Inneren des Kondensatorgehäuses 142 ist zumindest ein Folienkondensator („Wickel“) angeordnet, wobei zusätzlich zumindest ein Entstörkondenator („Y-Kondensator“ oder „Elektrolytkondensator“) im Kondensatorgehäuse 142 bevorzugt enthalten sein kann. Der Zwischenkreiskondensator 14 weist ferner einen Kondensatoreingang 144 mit einem pluspoligen Anschluss 144a und einem minuspoligen Anschluss 144b auf, um einen mittels einer hier nicht gezeigten DC-Spannungsquelle, die vorzugsweise eine Fahrzeugbatterie aufweist, erzeugten DC-Strom einzuspeisen.The
Die Phaseneinheiten 16A-C sind auf einer Oberseite 1424 des Kondensatorgehäuses 142 befestigt. Dabei umfassen die Phaseneinheiten 16A-C jeweils mehrere (hier beispielhaft drei) Halbbrückenmodule 162A-C, 164A-C, 166A-C. Jedes der Halbbrückenmodule 162A-C, 164A-C, 166A-C ist eine modular ausgelegte Brückenschaltanordnung, die eine hier nicht näher gezeigte Modulhighside und Modullowside umfasst. Somit ist in jedem einzelnen Halbbrückenmodul 162A-C, 164A-C, 166A-C eine vollständige Halbbrücke bewerkstelligt. Die Modulhighside und die Modullowside umfassen jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die vorzugsweise als Transistoren, etwa MOSFETs und/oder IGBTs, ausgebildet sind. In jeder der Phaseneinheiten 16A-C sind die Modulhighsides zueinander parallelgeschaltet und bilden eine gemeinsame Highside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit 16A-C. Zugleich sind die Modullowsides in jeder der Phaseneinheiten 16A-C ebenfalls zueinander parallelgeschaltet und bilden eine gemeinsame Lowside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit 16A-C. Dies bedeutet, dass je nach Leistungsklasse des Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs, in dem ein elektrischer Achsantrieb mit dem erfindungsgemäßen Wechselrichter 100 integriert wird, die durch Phaseneinheiten jeweils tragbare maximale Strommenge durch eine geeignete Wahl der Anzahl an Halbbrückenmodulen 162A-C, 164A-C, 166A-C pro Phaseneinheit 16A-C nach oben oder unten skalierbar ist.The
Jedes Halbbrückenmodul 162A-C, 164A-C, 166A-C verfügt über mehrere hier nicht näher gezeigte Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des DC-Stroms und zum Abgeben der Phasenströme sowie über mehrere hier nicht näher gezeigte Signalanschlüsse zum Übertragen von Steuersignalen zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente. Vorzugsweise sind die Halbleiterschaltelemente, die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse mit einem stromisolierenden Material verkleidet, sodass nur Endabschnitte der Leistungsanschlüsse und/oder Signalanschlüsse über mehrere Oberflächen der Verkleidung hinausragen. Die Verkleidung kann durch eine Vergussmasse gebildet sein, die mittels Umspritzens der jeweiligen Halbbrückenmodule 162A-C, 164A-C, 166A-C entsteht. Die Endabschnitte der Leistungsanschlüsse und/oder Signalanschlüsse sind weiter vorzugsweise von einer Seitenfläche der Verkleidung ausgehend vertikal nach oben gebogen, sodass diese vorteilhafterweise von oben kontaktierbar sind.Each half-
Die Phaseneinheiten 16A-C umfassen außerdem jeweils einen Kühlkörper 168A-C, der vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer gebildet ist. Wie hier beispielhaft gezeigt wird in jeder Phaseneinheit 16A-C der Kühlkörper 168A-C von allen Halbbrückenmodulen 162A-C, 164A-C, 166A-C von oben beaufschlagt, sodass der Kühlkörper 168A-C als gemeinsamer Kühler für alle Halbbrückenmodule 162A-C, 164A-C, 166A-C der jeweiligen Phaseneinheit 16A-C fungiert. Die Halbleiterschaltelemente (hier nicht gezeigt) der jeweiligen Halbbrückenmodule 162A-C, 164A-C, 166A-C sind vorzugsweise auf einem mehrschichtigen Substrat (hier nicht gezeigt) angebracht, welches eine obere Metalllage, eine untere Metalllage und eine dazwischen angeordnete Isolationslage umfasst. Die untere Metalllage ist weiter vorzugsweise oberseitig des Kühlkörpers 168A-C an diesen angebunden, um eine thermische Kopplung zwischen dem Kühlkörper 168A-C und den auf der oberen Metalllage angebrachten Halbleiterschaltelementen herzustellen.The
Zwischen dem Zwischenkreiskondensator 14 und den Phaseneinheiten 16A-C sind mehrere pluspolige und minuspolige DC-Stromschienen 152A-C, 154A-C angeordnet, die jeweils mit einem pluspoligen bzw. minuspoligen Kondensatorausgang 146A-C, 148A-C des Zwischenkreiskondensators 14 elektrisch verbunden oder einteilig ausgebildet sind. Die bevorzugt einteilige Bauweise der DC-Stromschienen 152A-C, 154A-C und der Kondensatorausgänge 146A-C, 148A-C sind in einer seitlichen Schnittansicht in
Über die DC-Stromschienen 152A-C, 154A-C wird der DC-Strom in die Halbbrückenmodule 162A-C, 164A-C, 166A-C der Phaseneinheiten 16A-C eingespeist. Dazu sind die DC-Stromschienen 152A-C, 154A-C mit den pluspoligen bzw. minuspoligen DC-Leistungsanschlüssen (hier nicht gezeigt) der Halbbrückenmodule 162A-C, 164A-C, 166A-C elektrisch verbunden. Die mittels Schaltens der in den Halbbrückenmodulen 162A-C, 164A-C, 166A-C verbauten Halbleiterschaltelemente basierend auf dem eingespeisten DC-Strom erzeugten Phasenströme werden über AC-Leistungsanschlüsse (hier nicht gezeigt) aus den Halbbrückenmodulen 162A-C, 164A-C, 166A-C jeweils in eine AC-Stromschiene 183A-C geleitet. Wie in
Die Phaseneinheiten 16A-C sind jeweils an einem Rand 1422A-C des Kondensatorgehäuses 142 angeordnet. Die AC-Ausgänge 18A-C erstrecken sich an einem zusätzlichen bzw. vierten Rand 1423 des Kondensatorgehäuses 142 seitlich über Letzteres hinaus. Diese Anordnung der Phaseneinheiten 16A-C ermöglicht eine effiziente Bauraumnutzung, sodass eine kompakte Bauform des Wechselrichters 100 realisiert ist.The
Wie in
In
Der Wechselrichter 101 aus
In
Die
Wie in
Die AC-Stromschienen 183A-C des Wechselrichter 104 weisen ebenfalls mehrere modulseitige Kontakte auf, die mit den AC-Leistungsanschlüssen der Halbbrückenmodule 162A-C, 164A-C, 166A-C elektrisch verbunden sind. Wie in den Ansichten von
Die schematischen seitlichen Schnittansichten in
Beide Stromleitungen 141 A-C, 149A-C sind an zwei vertikal gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Folienkondensators 145A-C mit diesem elektrisch verbunden. Obwohl hier nicht gezeigt, kann zumindest ein Entstörkondensator zusätzlich im Zwischenkreiskondensator 14 vorgesehen und mit den Stromleitungen 141A-C 149A-C sowie mit einer Erdleitung elektrisch verbunden sein.Both
Der in
Bei den in
BezugszeichenlisteReference List
- 100-105100-105
- Wechselrichterinverter
- 1212
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1414
- Zwischenkreiskondensatorintermediate circuit capacitor
- 141, 141 A-C141, 141A-C
- pluspolige Stromleitungenpositive power lines
- 142142
- Kondensatorgehäusecapacitor case
- 1422A-C1422A-C
- Ränderedges
- 14231423
- zusätzlicher (vierter) Randadditional (fourth) margin
- 14241424
- Oberseitetop
- 14261426
- Umfangsseitenperimeter pages
- 143a143a
- Plattenabschnittplate section
- 143b143b
- Endwandend wall
- 144144
- Kondensatoreingangcapacitor input
- 145, 145A-C145, 145A-C
- Folienkondensatorenfilm capacitors
- 146A-C, 148A-C146A-C, 148A-C
- Kondensatorausgängecapacitor outputs
- 149, 149A-C149, 149A-C
- minuspolige Stromleitungennegative power lines
- 152A-C, 154A-C152A-C, 154A-C
- DC-StromschienenDC busbars
- 16A-C16A-C
- Phaseneinheitenphase units
- 162A-C, 164A-C, 166A-C162A-C, 164A-C, 166A-C
- Halbbrückenmodulehalf-bridge modules
- 167167
- Signalanschlüssesignal connections
- 168A-C168A-C
- Kühlkörperheatsink
- 170A-C170A-C
- Treibereinrichtungdriver setup
- 18A-C18A-C
- AC-AusgängeAC outputs
- 182A-C182A-C
- Verkleidung/Umspritzungfairing/overmolding
- 183, 183A-C183, 183A-C
- AC-StromschienenAC busbars
- 2020
- Invertergehäuseinverter housing
- 202202
- Oberseitetop
- 20222022
- Positionierelementepositioning elements
- 204A-C204A-C
- Umfangsseitenperimeter pages
- 205205
- Innenbereichinterior
- 206A-C206A-C
- Ränderedges
- 207207
- zusätzlicher Randextra edge
Claims (16)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE102022201035.3A DE102022201035A1 (en) | 2022-02-01 | 2022-02-01 | Inverters with optimized scalability |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=87160743
Family Applications (1)
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Citations (5)
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-
2022
- 2022-02-01 DE DE102022201035.3A patent/DE102022201035A1/en active Pending
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