DE102022201333A1 - Intermediate circuit capacitor with optimized heat dissipation, power converter with such an intermediate circuit capacitor - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zwischenkreiskondensator (10A-B) für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend einen Kondensatoreingang (12) zum Anschließen einer Spannungsquelle, eine pluspolige Stromschiene (14a) und eine minuspolige Stromschiene (14b) zum Leiten eines mittels der Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms, einen Wickel (16), der an eine Oberseite (142) der Stromschienen (14a, 14b) elektrisch angebunden ist, einen Kondensatorausgang (18) zum Einspeisen des Eingangsstroms in eine Leistungselektronik, die dazu ausgebildet ist, den Eingangsstrom mittels Schaltens mehrerer in der Leistungselektronik enthaltenen Halbleiterschaltelemente in einen Ausgangsstrom umzuwandeln, wobei die pluspolige Stromschiene (14a) und die minuspolige Stromschiene (14b) auf ihrer von dem Wickel (16) abgewandten Unterseite mit einem Kühler (22) thermisch gekoppelt sind.The present invention relates to an intermediate circuit capacitor (10A-B) for a power converter for energizing an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising a capacitor input (12) for connecting a voltage source, a positive-pole busbar (14a) and a negative-pole busbar ( 14b) for conducting an input current generated by means of the voltage source, a winding (16) which is electrically connected to an upper side (142) of the busbars (14a, 14b), a capacitor output (18) for feeding the input current into power electronics which are is designed to convert the input current into an output current by switching a plurality of semiconductor switching elements contained in the power electronics, the positive-pole busbar (14a) and the negative-pole busbar (14b) being thermally coupled to a cooler (22) on their underside facing away from the winding (16). are.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zwischenkreiskondensator für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, der zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs dient. Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stromrichter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.The invention relates to an intermediate circuit capacitor for a converter, in particular an inverter, which is used to power an electric axle drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle. The invention also relates to an electric axle drive with such a power converter and a 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 eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen, 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 und in der Regel einen sinusförmigen Verlauf annehmen.Such inverters usually include power electronics with a number of 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 and usually assume a sinusoidal course.

Es ist bekannt, dass in den Stromrichtern bzw. Wechselrichtern Zwischenkreiskondensatoren zwecks höherer Stabilität der eingespeisten und abgegriffenen Spannungen verwendet werden. Aufgrund hoher Stromeinpräge entsteht neben in der Leistungselektronik auch im Zwischenkreiskondensator Wärme, die abgeführt werden muss. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Stromrichtern besteht der Nachteil, dass die dortigen Zwischenkreiskondensatoren nicht hinreichend abgekühlt werden können. Dies führt zur Beeinträchtigung der Funktionalitäten der Stromrichter.It is known that intermediate circuit capacitors are used in the power converters or inverters for the purpose of greater stability of the voltages fed in and tapped off. Due to high current impressions, heat is generated not only in the power electronics but also in the intermediate circuit capacitor, which has to be dissipated. The power converters known from the prior art have the disadvantage that the intermediate circuit capacitors there cannot be sufficiently cooled. This leads to impairment of the functionality of the power converter.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Zwischenkreiskondensator bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.It is an object of the invention to provide an intermediate circuit capacitor in order to at least partially eliminate the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Zwischenkreiskondensator, den Stromrichter, 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 intermediate circuit capacitor, the power converter, 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 Zwischenkreiskondensator für einen Stromrichter, der zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug dient. Der Zwischenkreiskondensator umfasst einen Kondensatoreingang zum Anschließen einer Spannungsquelle und einen Kondensatorausgang zum Einspeisen eines Eingangsstroms in eine Leistungselektronik, die dazu ausgebildet ist, den Eingangsstrom mittels Schaltens mehrerer in der Leistungselektronik enthaltenen Halbleiterschaltelemente in einen Ausgangsstrom umzuwandeln. Dazu ist der Kondensatorausgang mit Leistungsanschlüssen der Leistungselektronik elektrisch verbunden. Zwischen dem Kondensatoreingang und dem Kondensatorausgang ist eine Stromschienenanordnung bestehend aus zumindest einer pluspoligen Stromschiene und zumindest einer minuspoligen Stromschiene zum Leiten des mittels der Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms angeordnet. Im Fall, dass der Stromrichter als DC/AC-Wechselrichter ausgebildet ist, sind die Stromschienen als DC-Stromschienen zum Leiten des DC-Eingangsstroms ausgelegt. Der Zwischenkreiskondensator umfasst weiterhin zumindest einen Wickel (Folienkondensator), der an eine Oberseite der pluspoligen (DC-)Stromschiene und der minuspoligen (DC-)Stromschiene elektrisch angebunden ist. Die pluspolige (DC-)Stromschiene und die minuspolige (DC-)Stromschiene sind auf ihrer von dem zumindest einen Wickel abgewandten Unterseite mit einem Kühler thermisch gekoppelt. Die Oberseite und die Unterseite sind an einem Bodenabschnitt der (DC-)Stromschienen ausgebildet, der sich zum Kühler, insbesondere zu einer Kühlplatte, parallel erstreckt. Der Wickel ist vorzugsweise quaderförmig ausgebildet, wobei die Ecken der Quaderform Abrundungen aufweisen können. Der Kondensatoreingang und der Kondensatorausgang sind bevorzugt an einer Vorderseite bzw. einer Rückseite der Quaderform angeordnet, wobei die (DC-)Stromschienen an der Unterseite der Quaderform angeordnet sind.The invention relates to an intermediate circuit capacitor for a power converter that is used to operate an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle. The intermediate circuit capacitor includes a capacitor input for connecting a voltage source and a capacitor output for feeding an input current into power electronics, which is designed to convert the input current into an output current by switching a plurality of semiconductor switching elements contained in the power electronics. For this purpose, the capacitor output is electrically connected to the power connections of the power electronics. A busbar arrangement consisting of at least one positive-pole busbar and at least one negative-pole busbar for conducting the input current generated by the voltage source is arranged between the capacitor input and the capacitor output. If the power converter is designed as a DC/AC inverter, the busbars are designed as DC busbars for conducting the DC input current. The intermediate circuit capacitor also includes at least one winding (foil capacitor), which is electrically connected to an upper side of the positive-pole (DC) busbar and the negative-pole (DC) busbar. The positive-pole (DC) busbar and the negative-pole (DC) busbar are thermally coupled to a cooler on their underside facing away from the at least one winding. The upper side and the lower side are formed on a base section of the (DC) busbars, which extends parallel to the cooler, in particular to a cooling plate. The winding is preferably cuboid, it being possible for the corners of the cuboid to be rounded. The capacitor input and the capacitor output are preferably arranged on a front side and a rear side of the cuboid shape, with the (DC) busbars being arranged on the underside of the cuboid shape.

Auf diese Weise ist die gesamte (DC-)Stromschienenanordnung des Zwischenkreiskondensators besonders wirksam abkühlbar. Die pluspolige Stromschiene und die minuspolige Stromschiene können parallel nebeneinander zwischen dem zumindest einen Wickel und dem Kühler verlaufen, um die mit dem Kühler thermisch verbundene Kühlfläche zu vergrößern und dadurch die Kühlleistung zu erhöhen. Der Zwischenkreiskondensator kann eine stromisolierende Verkleidung umfassen, die auf einer Oberfläche des zumindest einen Wickels aufgebracht ist. Die stromisolierende Verkleidung ist vorzugsweise eine Spritzschicht bzw. -gehäuse, die/das mittels Umspritzens des zumindest einen Wickels sowie der (DC-)Stromschienenanordnung gebildet ist. In diesem Fall weist die stromisolierende Verkleidung in einem Bereich der Unterseite der (DC-)Stromschienen eine Aussparung auf. Im Fall einer Spritzschicht kann die Aussparung durch Freilegen der Unterseite der (DC-)Stromschienen während des Spritzgussverfahrens bewerkstelligt werden. Dies ermöglicht eine bessere thermische Kopplung der (DC-)Stromschienen mit dem Kühler. Zusätzlich kann zwischen der Unterseite der (DC-)Stromschienen und dem Kühler eine Wärmeleitschicht, die vorzugsweise aus Metall gebildet ist, angeordnet sein. In diesem Fall verbindet vorzugsweise eine Isolationsfolie die Unterseite der Stromschienen und die Metallschicht miteinander, um in Kombination mit der Wärmeleitschicht eine Potentialtrennung bei gleichzeitiger Wärmeleitung sicherzustellen.In this way, the entire (DC) busbar arrangement of the intermediate circuit capacitor can be cooled particularly effectively. The positive pole busbar and the negative pole busbar can run parallel to one another between the at least one coil and the cooler in order to increase the cooling surface thermally connected to the cooler and thereby increase the cooling capacity. The intermediate circuit capacitor can include a current-insulating covering that is applied to a surface of the at least one winding. The current-insulating covering is preferably an injection-molded layer or housing, which is formed by over-molding the at least one winding and the (DC) busbar arrangement. In this case, the current-insulating covering has a recess in an area on the underside of the (DC) busbars. In the case of an injection layer, the recess can be accomplished by exposing the underside of the (DC) busbars during the injection molding process. This enables better thermal coupling of the (DC) busbars with the cooler. In addition, a thermally conductive layer, which is preferably made of metal, can be arranged between the underside of the (DC) busbars and the cooler. In this case, an insulating film preferably connects the underside of the busbars and the metal layer to one another in order to ensure, in combination with the thermally conductive layer, a potential separation with simultaneous heat conduction.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die pluspolige Stromschiene und/oder die minuspolige Stromschiene einen Seitenflügel auf, der sich vom Bodenabschnitt der (DC-)Stromschienen senkrecht nach oben erstreckt und mit dem Kühler durch die oben bereits beschriebene unterseitige Verbindung thermisch gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine seitliche Abkühlung des zumindest einen Wickels.According to one embodiment, the positive-pole busbar and/or the negative-pole busbar have a side wing which extends vertically upwards from the bottom section of the (DC) busbars and is thermally coupled to the cooler by the underside connection already described above. This enables the at least one coil to be cooled laterally.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter zum Umwandeln einer DC-Spannung in eine AC-Spannung. Alternativ kann der Stromrichter als DC/DC-Gleichrichter zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine von dieser verschiedene DC-Ausgangsspannung ausgebildet sein. Der Stromrichter umfasst eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Der Stromrichter kann mehrere (beispielsweise drei) Phaseneinheiten aufweisen, die jeweils einem Phasenstrom des Eingangsstroms oder des Ausgangsstroms zugeordnet sind. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Im Fall eines Gleichrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle (etwa einer Ladestation oder einer Fahrzeugbatterie/Brennstoffzelle) bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom (etwa einen Ladestrom zum Aufladen einer Hochvolt-Fahrzeugbatterie) handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.The invention also relates to a power converter. The power converter is preferably a DC/AC inverter for converting a DC voltage into an AC voltage. Alternatively, the converter can be designed as a DC/DC rectifier for converting a DC input voltage into a different DC output voltage. The power converter includes power electronics with a plurality of semiconductor switching elements for generating an output current based on an input current provided by a voltage source by switching the semiconductor switching elements. The power converter can have a plurality of (for example three) phase units which are each assigned to a phase current of the input current or of the output current. In the case of an inverter, the input current is a DC current provided by a DC voltage source, while the output current is an AC current with multiple phase currents. In the case of a rectifier, the input current is a DC input current provided by a DC voltage source (such as a charging station or vehicle battery/fuel cell), and the output current is a DC output current (such as a charging current) that is different from the DC input current for charging a high-voltage vehicle battery), which is preferably supplied to charge a vehicle battery.

Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs und/oder IGBTs, wobei die Halbleiterschaltelemente zusätzlich eine oder mehrere Dioden umfassen können. Das den Halbleiterschaltelementen zugrunde liegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke (Engl.: Wide bandgap semiconductors, WBS), etwa Siliziumcarbid oder Galliumnitrid. Die Halbleiterschaltelemente sind auf einem Substrat angebracht. Das Substrat kann einen mehrschichtigen Aufbau mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage und einer dazwischen befindlichen Isolationslage aufweisen. Die Halbleiterschaltelemente sind in diesem Fall bevorzugt an eine Oberseite der ersten Metalllage angebunden, wobei an eine Unterseite der zweiten Metalllage ein Kühlkörper angebunden ist.The semiconductor switching elements are preferably transistors such as MOSFETs and/or IGBTs, it being possible for the semiconductor switching elements to additionally include one or more diodes. The semiconductor material on which the semiconductor switching elements are based is preferably silicon or a so-called wide bandgap semiconductors (WBS) semiconductor, for example silicon carbide or gallium nitride. The semiconductor switching elements are mounted on a substrate. The substrate can have a multilayer structure with a first metal layer, a second metal layer and an insulating layer located between them. In this case, the semiconductor switching elements are preferably connected to an upper side of the first metal layer, with a heat sink being connected to an underside of the second metal layer.

Die Leistungselektronik weist mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente und zum Abgreifen bzw. Abgeben des Ausgangsstroms, auf. Im Fall des Wechselrichters umfassen die Leistungsanschlüsse DC-Leistungsanschlüsse und AC-Leistungsanschlüsse. Die DC-Leistungsanschlüsse umfassen wiederum einen oder mehrere pluspolige und minuspolige DC-Leistungsanschlüsse. Die AC-Leistungsanschlüsse sind einem gemeinsamen AC-Phasenstrom oder jeweils einem von mehreren AC-Phasenströmen des gesamten AC-Stroms zugeordnet. Die Leistungsanschlüsse erstrecken sich vorzugsweise über eine Seitenfläche einer Vergussmasse, mittels derer die Halbleiterschaltelemente vergossen sind, nach außen hinaus. Weiter vorzugsweise erstrecken sich die Leistungsanschlüsse außerhalb der Vergussmasse senkrecht zur Oberseite des Substrats nach oben, sodass sie von oben kontaktierbar sind. Die Leistungselektronik umfasst mehrere Signalpins zum Übertragen von Steuersignalen, die von einer Steuereinrichtung des Stromrichters erzeugt sind und zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente an die Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode) gesendet werden.The power electronics have a number of power connections for feeding the input current into the semiconductor switching elements and for tapping off or delivering the output current. In the case of the inverter, the power terminals include DC power terminals and AC power terminals. The DC power connections in turn comprise one or more positive-pole and negative-pole DC power connections. The AC power connections are assigned to a common AC phase current or to one of several AC phase currents of the total AC current. The power terminals preferably extend outward beyond a side face of a potting compound, by means of which the semiconductor switching elements are potted. More preferably, the power terminals extend outside of the potting compound perpendicularly to the top of the substrate upwards, so that they can be contacted from above. The power electronics include a number of signal pins for transmitting control signals that are generated by a control device of the power converter and are sent to the control electrode (e.g. gate electrode) for driving the semiconductor switching elements.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stromrichter beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.The invention also relates to a corresponding electric axle drive with a power converter according to the invention and a vehicle with such an electric axle drive. This results in the already described in connection with the power converter according to the invention Benen advantages for the electric axle drive 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 Zwischenkreiskondensators gemäß einer Ausführung in einer Perspektivansicht, wobei der innere Aufbau des Zwischenkreiskondensators gezeigt ist;
  • 2 eine schematische Darstellung des Zwischenkreiskondensators aus 1 in einer weiteren Perspektivansicht, wobei eine stromisolierende Umspritzung des Zwischenkreiskondensators gezeigt ist;
  • 3 eine schematische Darstellung des Zwischenkreiskondensators aus 2 in einer weiteren Perspektivansicht, wobei eine Verbindungsschicht unterseitig des Zwischenkreiskondensators aufgebracht ist;
  • 4 eine schematische Darstellung des Zwischenkreiskondensators aus 3 in einer Schnittansicht senkrecht zur Verbindungsschicht;
  • 5 eine schematische Darstellung eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Perspektivansicht, wobei der innere Aufbau des Zwischenkreiskondensators gezeigt ist;
  • 6 eine schematische Darstellung des Zwischenkreiskondensators aus 5 in einer weiteren Perspektivansicht, wobei eine stromisolierende Umspritzung des Zwischenkreiskondensators gezeigt ist;
  • 7 eine schematische Darstellung einer Kondensatoranordnung bestehend aus drei Zwischenkreiskondensatoren aus 2 und einem Kühler in einer Perspektivansicht;
  • 8 eine schematische Darstellung der Kondensatoranordnung aus 7 in einer Schnittansicht.
Show it:
  • 1 a schematic representation of an intermediate circuit capacitor according to an embodiment in a perspective view, wherein the internal structure of the intermediate circuit capacitor is shown;
  • 2 a schematic representation of the intermediate circuit capacitor 1 in a further perspective view, wherein a current-insulating encapsulation of the intermediate circuit capacitor is shown;
  • 3 a schematic representation of the intermediate circuit capacitor 2 in a further perspective view, a connecting layer being applied on the underside of the intermediate circuit capacitor;
  • 4 a schematic representation of the intermediate circuit capacitor 3 in a sectional view perpendicular to the connection layer;
  • 5 a schematic representation of an intermediate circuit capacitor according to a further embodiment in a perspective view, wherein the internal structure of the intermediate circuit capacitor is shown;
  • 6 a schematic representation of the intermediate circuit capacitor 5 in a further perspective view, wherein a current-insulating encapsulation of the intermediate circuit capacitor is shown;
  • 7 a schematic representation of a capacitor arrangement consisting of three intermediate circuit capacitors 2 and a cooler in a perspective view;
  • 8th a schematic representation of the capacitor arrangement 7 in a sectional view.

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.

1 zeigt schematisch einen Zwischenkreiskondensator 10A gemäß einer Ausführungsform in einer beispielhaften Perspektivansicht. Der Zwischenkreiskondensator 10A umfasst einen Kondensatoreingang 12, einen Kondensatorausgang 18 und mehrere dazwischen angeordnete Stromschienen 14a, 14b. Der Zwischenkreiskondensator 10A ist beispielsweise zur Verwendung in einem DC/AC-Wechselrichter (hier nicht gezeigt) ausgebildet. In diesem Fall handelt es sich bei den Stromschienen 14a, 14b um DC-Stromschienen. Nachfolgend wird der Zwischenkreiskondensator 10A im Zusammenhang mit dem Wechselrichter beschrieben. Alternativ kann der Zwischenkreiskondensator 10A jedoch auch in einem DC/DC-Gleichrichter verwendet werden. 1 10 schematically shows an intermediate circuit capacitor 10A according to an embodiment in an exemplary perspective view. The intermediate circuit capacitor 10A includes a capacitor input 12, a capacitor output 18 and a plurality of busbars 14a, 14b arranged in between. The intermediate circuit capacitor 10A is designed for use in a DC/AC inverter (not shown here), for example. In this case, the busbars 14a, 14b are DC busbars. The intermediate circuit capacitor 10A is described below in connection with the inverter. Alternatively, however, the intermediate circuit capacitor 10A can also be used in a DC/DC rectifier.

Die DC-Stromschienen 14a, 14b umfassen eine pluspolige DC-Stromschiene 14a und eine minuspolige DC-Stromschiene 14b. Die pluspolige DC-Stromschiene 14a ist zwischen einem pluspoligen Eingangskontakt 122 des Kondensatoreingangs 12 und einem pluspoligen Ausgangskontakt 182 des Kondensatorausgangs 18 elektrisch verbindend angeordnet. Die minuspolige DC-Stromschiene 14b ist zwischen einem minuspoligen Eingangskontakt 124 des Kondensatoreingangs 12 und einem minuspoligen Ausgangskontakt 184 des Kondensatorausgangs 18 elektrisch verbindend angeordnet. Der pluspolige Eingangskontakt 122, die pluspolige DC-Stromschiene 14a und der pluspolige Ausgangskontakt 182 sind, wie hier beispielhaft gezeigt, vorzugsweise einteilig ausgebildet. Gleichermaßen sind der minuspolige Eingangskontakt 124, die minuspolige DC-Stromschiene 14b und der minuspolige Ausgangskontakt 184, wie hier beispielhaft gezeigt, vorzugsweise ebenfalls einteilig ausgebildet. Die Eingangskontakte 122, 124 und Ausgangskontakte 182, 184 erstrecken sich jeweils aus einer stromisolierenden Verkleidung 28, die hier beispielhaft und bevorzugt als Umspritzung ausgebildet ist, seitlich heraus. Die DC-Stromschienen 14a, 14b befinden sich innerhalb der stromisolierenden Umspritzung 28 und in der Darstellung in 2 daher nicht ersichtlich.The DC busbars 14a, 14b include a positive-pole DC busbar 14a and a negative-pole DC busbar 14b. The positive-pole DC busbar 14a is arranged in an electrically connecting manner between a positive-pole input contact 122 of the capacitor input 12 and a positive-pole output contact 182 of the capacitor output 18 . The negative-pole DC bus bar 14b is arranged in an electrically connecting manner between a negative-pole input contact 124 of the capacitor input 12 and a negative-pole output contact 184 of the capacitor output 18 . The positive-pole input contact 122, the positive-pole DC busbar 14a and the positive-pole output contact 182 are preferably formed in one piece, as shown here by way of example. Likewise, the negative input contact 124, the negative DC bus bar 14b and the negative output contact 184, as shown here by way of example, are also preferably formed in one piece. The input contacts 122, 124 and output contacts 182, 184 each extend laterally out of a current-insulating cover 28, which is here, by way of example and preferably, designed as an overmolding. The DC busbars 14a, 14b are located within the current-insulating overmolding 28 and in the illustration in 2 therefore not apparent.

Der Zwischenkreiskondensator 10A umfasst einen Wickel 16 (auch als Folienkondensator bezeichnet). Der Wickel 16 ist, wie hier beispielhaft gezeigt, bevorzugt quaderförmig mit abgerundeten Ecken ausgebildet. Der Wickel 16 ist unterseitig an eine Oberseite 142 eines Bodenabschnittes 143 der pluspoligen DC-Stromschiene 14a und der minuspoligen DC-Stromschiene 14b unmittelbar angebunden. Ferner sind zwei Y-Kondensatoren 17 (auch als Entstörkondenator bzw. Elektrolytkondensator bezeichnet) im Zwischenkreiskondensator 10A vorgesehen, die zwischen dem Wickel 16 und dem Kondensatorausgang 18 auf der Oberseite 142 des Bodenabschnittes 143 der DC-Stromschienen 14a, 14b mit diesen elektrisch verbunden aufliegend angeordnet sind. Eine Masseleitung 19 verbindet außerdem die Y-Kondensatoren 17 mit einer Schraubenverbindung, von der in 1-4 nur eine Schraubenführung 21 (Schraubenhülse) gezeigt ist. In der Darstellung von 7 ist eine Schraube 23 zusätzlich gezeigt, mittels derer der Zwischenkreiskondensator 10A (dort neben zwei weiteren Zwischenkreiskondensatoren 10A einer Kondensatoranordnung 100) mit einem Kühler 22 verbunden ist.The intermediate circuit capacitor 10A includes a winding 16 (also referred to as film capacitor). As shown here by way of example, the winding 16 is preferably cuboid with rounded corners. The winding 16 is connected directly on the underside to a top side 142 of a bottom section 143 of the positive-pole DC busbar 14a and the negative-pole DC busbar 14b. Furthermore, two Y-capacitors 17 (also referred to as interference suppression capacitors or electrolytic capacitors) are provided in the intermediate circuit capacitor 10A, which are connected between the winding 16 and the capacitor output 18 on the upper side 142 of the bottom section 143 of the DC busbars 14a, 14b are arranged lying on top and are electrically connected to them. A ground line 19 also connects the Y-capacitors 17 with a screw connection from which in 1-4 only one screw guide 21 (screw sleeve) is shown. In the representation of 7 a screw 23 is also shown, by means of which the intermediate circuit capacitor 10A (there in addition to two further intermediate circuit capacitors 10A of a capacitor arrangement 100) is connected to a cooler 22.

Der Wickel 16 und zusätzlich auch die Y-Kondensatoren 17 sind daher auf der Oberseite 142 der DC-Stromschienen 14a, 14b, die parallel nebeneinander verlaufen, angebracht. Die DC-Stromschienen 14a, 14b sind an ihrer der Oberseite 142 gegenüberliegenden Unterseite mit dem Kühler 22 thermisch gekoppelt. Dies bewerkstelligt eine besonders wirksame Kühlung des Zwischenkreiskondensators 10A, da die effektive Kühlfläche mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung der DC-Stromschienen 14a, 14b vorteilhafterweise vergrößert ist. Zusätzlich ist der Wickel 16 seitlich mit Hilfe eines Seitenflügels 146 der DC-Stromschienen 14a, 14b indirekt durch den Kühler 22 gekühlt. Hierzu erstreckt sich der Seitenflügel 146 vom Bodenabschnitt 143 der DC-Stromschienen 14a, 14b senkrecht nach oben.The winding 16 and also the Y-capacitors 17 are therefore attached to the top 142 of the DC busbars 14a, 14b, which run parallel next to one another. The DC busbars 14a, 14b are thermally coupled to the cooler 22 on their underside opposite the upper side 142 . This brings about a particularly effective cooling of the intermediate circuit capacitor 10A, since the effective cooling surface is advantageously enlarged with the aid of the arrangement of the DC busbars 14a, 14b according to the invention. In addition, the winding 16 is indirectly cooled laterally by the cooler 22 with the aid of a side wing 146 of the DC busbars 14a, 14b. For this purpose, the side wing 146 extends vertically upwards from the bottom section 143 of the DC busbars 14a, 14b.

Die stromisolierende Umspritzung 28 weist unterseitig eine Aussparung auf, die dadurch entsteht, dass beim Umspritzen des Wickel 16, der Y-Kondensatoren 17 sowie der DC-Stromschienen 14a, 14b der Bodenabschnitt 143 der DC-Stromschienen 14a, 14b freigelegt und nicht mit dem stromisolierenden Spritzgussmaterial abgedeckt bzw. beschichtet wird. An die Unterseite des Bodenabschnittes 143 ist eine Wärmeleitschicht 24, die vorzugsweise aus Metall gebildet ist, über eine Isolationsfolie 26 angebunden. Wie in 3 und 4 gezeigt, ist eine Verbindungsschicht 30 zur Verbindung zwischen der Wärmeleitschicht 24 und dem Kühler 22 bzw. deren Oberseite 222 angeordnet. Die Verbindungsschicht 30 kann aus einem Lückenfüllmaterial (Engl.: Gappad) mittels Spritzgussverfahrens aufgebracht werden.The current-insulating overmold 28 has a recess on the underside, which is created by the fact that when the winding 16, the Y-capacitors 17 and the DC busbars 14a, 14b are overmoulded, the base section 143 of the DC busbars 14a, 14b is exposed and not connected to the current-insulating Injection molding material is covered or coated. A thermally conductive layer 24 , which is preferably made of metal, is connected to the underside of the base section 143 via an insulating film 26 . As in 3 and 4 shown, a connecting layer 30 is arranged for connecting between the thermally conductive layer 24 and the cooler 22 or the upper side 222 thereof. The connecting layer 30 can be applied from a gap-filling material (engl.: gappad) by means of an injection molding process.

5 und 6 zeigen einen Zwischenkreiskondensator 10B gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zur in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform sind hier zwei Wickel 16 im Zwischenkreiskondensator 10B enthalten. Außerdem verfügt der Kondensatoreingang 12 über zwei pluspolige Eingangskontakte 122 und zwei minuspolige Eingangskontakte 124. Zugleich verfügt der Kondensatorausgang 18 über zwei pluspolige Ausgangskontakte 182 und zwei minuspolige Ausgangskontakte 184. Die beiden pluspoligen Eingangskontakte 122 sowie die beiden minuspolligen Eingangskontakte 124 sind paarweise bezüglich einer Zwischenebene zwischen den beiden Wickeln 16 symmetrisch angeordnet. Auch sind die beiden pluspoligen Ausgangskontakte 182 sowie die beiden minuspolligen Ausgangskontakte 184 sind paarweise bezüglich der Zwischenebene zwischen den beiden Wickeln 16 symmetrisch angeordnet. Diese Maßnahme begünstigt symmetrische Stromflüsse, was die EMV-Eigenschaften des Zwischenkreiskondensators 10B verbessert. 5 and 6 12 show an intermediate circuit capacitor 10B according to a further embodiment. In contrast to the in 1 until 4 The embodiment shown contains two windings 16 in the intermediate circuit capacitor 10B. In addition, the capacitor input 12 has two positive-pole input contacts 122 and two negative-pole input contacts 124. At the same time, the capacitor output 18 has two positive-pole output contacts 182 and two negative-pole output contacts 184. The two positive-pole input contacts 122 and the two negative-pole input contacts 124 are in pairs with respect to an intermediate level between the both winding 16 arranged symmetrically. The two positive-pole output contacts 182 and the two negative-pole output contacts 184 are also arranged symmetrically in pairs with respect to the intermediate plane between the two windings 16 . This measure favors symmetrical current flows, which improves the EMC properties of the intermediate circuit capacitor 10B.

7 und 8 zeigen eine Kondensatoranordnung 100, die hier beispielhaft aus drei Zwischenkreiskondensatoren 10A gemäß der in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform besteht. Alternativ können Zwischenkreiskondensatoren gemäß einer anderen im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen Ausführungsform, beispielsweise die in 5 bis 6 gezeigte Ausführungsform, verwendet werden. In 7 ist die Kondensatoranordnung 100 in einer schematischen Perspektivansicht gezeigt. In 8 ist die Kondensatoranordnung 100 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt, wobei die Schnittebene entlang einer Längsrichtung, in der die Zwischenkreiskondensatoren 10A aneinandergereiht sind, senkrecht zur Oberseite 222 des Kühlers 22 steht. 7 and 8th show a capacitor arrangement 100, which here, by way of example, consists of three intermediate circuit capacitors 10A according to FIG 1 until 4 embodiment shown consists. Alternatively, intermediate circuit capacitors according to another embodiment described in the context of this invention, for example those in 5 until 6 embodiment shown, are used. In 7 the capacitor arrangement 100 is shown in a schematic perspective view. In 8th 1, the capacitor arrangement 100 is shown in a schematic sectional view, the sectional plane being perpendicular to the upper side 222 of the cooler 22 along a longitudinal direction in which the intermediate circuit capacitors 10A are lined up.

Die Zwischenkreiskondensatoren 10A sind nebeneinander auf der Oberseite 222 des Kühlers 22, insbesondere einer Kühlplatte, angeordnet und mittels mehrerer Schrauben 23 befestigt. Die Schrauben 23 dienen zugleich als elektrische Verbindung zur Masse für die Y-Kondensatoren 17. Jeder Zwischenkreiskondensator 10A ist einer Phaseneinheit der Leistungselektronik des Wechselrichters zugeordnet. Der innere Aufbau der Kondensatoranordnung 100 ist in der Schnittansicht in 8 näher gezeigt. Obwohl dort nicht explizit gezeigt, sind zwischen den Bodenabschnitte 143 der DC-Stromschienen 14a, 14b einerseits und dem Kühler 22 andererseits die Isolationsfolie 26, die hier ersichtliche Wärmeleitschicht 24 und zusätzlich die Verbindungsschicht 30 angeordnet, um die Zwischenkreiskondensatoren 10A mit dem Kühler 22 thermisch zu koppeln und zugleich eine Potentialtrennung zwischen beiden zu realisieren.The intermediate circuit capacitors 10A are arranged next to one another on the upper side 222 of the cooler 22, in particular a cooling plate, and are fastened by means of a number of screws 23. The screws 23 also serve as an electrical connection to ground for the Y capacitors 17. Each intermediate circuit capacitor 10A is assigned to a phase unit of the power electronics of the inverter. The internal structure of the capacitor arrangement 100 is shown in the sectional view in FIG 8th shown closer. Although not explicitly shown there, the insulating film 26, the thermally conductive layer 24 that can be seen here and also the connecting layer 30 are arranged between the bottom sections 143 of the DC busbars 14a, 14b on the one hand and the cooler 22 on the other hand, in order to thermally connect the intermediate circuit capacitors 10A to the cooler 22 couple and at the same time to realize a potential separation between the two.

BezugszeichenlisteReference List

10A-B10A-B
Zwischenkreiskondensatorintermediate circuit capacitor
1212
Kondensatoreingangcapacitor input
122122
pluspoliger Eingangskontaktpositive input contact
124124
minuspoliger Eingangskontaktnegative input contact
14a14a
pluspolige Stromschienepositive busbar
14b14b
minuspolige Stromschienenegative busbar
142142
Oberseitetop
143143
Bodenabschnittbottom section
146146
Seitenflügelside wings
1616
Wickelwrap
1717
Y-KondensatorY capacitor
1818
Kondensatorausgangcondenser output
182182
pluspoliger Ausgangskontaktpositive output contact
184184
minuspoliger Ausgangskontaktnegative output contact
1919
Masseleitungground wire
2020
stromisolierende Verkleidung/Umspritzungcurrent insulating casing/overmolding
202202
Aussparungrecess
2121
Schraubenführungscrew guide
2222
Kühlercooler
222222
Oberseitetop
2323
Schraubescrew
2424
Wärmeleitschichtthermal conductive layer
2626
Isolationsfolieinsulation film
2828
stromisolierende Verkleidung/Umspritzungcurrent insulating casing/overmolding
3030
Verbindungsschichtconnection layer
100100
Kondensatoranordnungcapacitor arrangement

Claims (12)

Zwischenkreiskondensator (10A-B) für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend: - einen Kondensatoreingang (12) zum Anschließen einer Spannungsquelle, - eine pluspolige Stromschiene (14a) und eine minuspolige Stromschiene (14b) zum Leiten eines mittels der Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms, - einen Wickel (16), der an eine Oberseite (142) der Stromschienen (14a, 14b) elektrisch angebunden ist, - einen Kondensatorausgang (18) zum Einspeisen des Eingangsstroms in eine Leistungselektronik, die dazu ausgebildet ist, den Eingangsstrom mittels Schaltens mehrerer in der Leistungselektronik enthaltenen Halbleiterschaltelemente in einen Ausgangsstrom umzuwandeln, wobei die pluspolige Stromschiene (14a) und die minuspolige Stromschiene (14b) auf ihrer von dem Wickel (16) abgewandten Unterseite mit einem Kühler (22) thermisch gekoppelt sind.Intermediate circuit capacitor (10A-B) for a power converter for energizing an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising: - a capacitor input (12) for connecting a voltage source, - a positive-pole busbar (14a) and a negative-pole busbar (14b) for conducting an input current generated by the voltage source, - a coil (16) which is electrically connected to an upper side (142) of the busbars (14a, 14b), - a capacitor output (18) for feeding the input current into power electronics, which is designed to convert the input current into an output current by switching a plurality of semiconductor switching elements contained in the power electronics, the positive-pole busbar (14a) and the negative-pole busbar (14b) on their from the winding (16) facing away from the underside are thermally coupled to a cooler (22). Zwischenkreiskondensator (10A-B) nach Anspruch 1, wobei die pluspolige Stromschiene (14a) und die minuspolige Stromschiene (14b) parallel nebeneinander zwischen dem Wickel (16) und dem Kühler (22) verlaufen.intermediate circuit capacitor (10A-B) after claim 1 , wherein the positive-pole busbar (14a) and the negative-pole busbar (14b) run parallel next to each other between the winding (16) and the cooler (22). Zwischenkreiskondensator (10A-B) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die pluspolige Stromschiene (14a) und/oder die minuspolige Stromschiene (14b) einen Seitenflügel (146) aufweisen, der sich von der Unterseite der Stromschienen (14a, 14b) senkrecht nach oben erstreckt.intermediate circuit capacitor (10A-B) after claim 1 or 2 , wherein the positive-pole busbar (14a) and/or the negative-pole busbar (14b) have a side wing (146) which extends vertically upwards from the underside of the busbars (14a, 14b). Zwischenkreiskondensator (10A-B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend eine stromisolierende Verkleidung (20), die auf einer Oberfläche des Wickels (16) und/oder der Stromschienen (14a, 14b) aufgebracht ist.Intermediate circuit capacitor (10A-B) according to one of Claims 1 until 3 , further comprising a current-insulating covering (20) which is applied to a surface of the winding (16) and/or the busbars (14a, 14b). Zwischenkreiskondensator (10A-B) nach Anspruch 4, wobei die stromisolierende Verkleidung (20) in einem Bereich der Unterseite (144) der Stromschienen (14a, 14b) eine Aussparung (202) aufweist.intermediate circuit capacitor (10A-B) after claim 4 , wherein the current-insulating casing (20) has a recess (202) in a region of the underside (144) of the busbars (14a, 14b). Zwischenkreiskondensator (10A-B) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen der Unterseite der Stromschienen (14a, 14b) und dem Kühler (22) eine Wärmeleitschicht (24) angeordnet ist.Intermediate circuit capacitor (10A-B) according to one of Claims 1 until 5 , A thermally conductive layer (24) being arranged between the underside of the busbars (14a, 14b) and the cooler (22). Zwischenkreiskondensator (10A-B) nach Anspruch 6, wobei eine Isolationsfolie (26) zwischen der Unterseite der Stromschienen (14a, 14b) und der Wärmeleitschicht (24) angeordnet ist.intermediate circuit capacitor (10A-B) after claim 6 , wherein an insulating film (26) between the underside of the busbars (14a, 14b) and the thermally conductive layer (24) is arranged. Zwischenkreiskondensator (10A-B) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Zwischenkreiskondensator zwei Y-Kondensatoren (17) aufweist, wobei ein Y-Kondensator mit einer pluspoligen Stromschiene (14a) und der andere Y-Kondensator mit einer minuspoligen Stromschiene (14b) verbunden ist.Intermediate circuit capacitor (10A-B) according to one of the preceding claims, wherein the intermediate circuit capacitor has two Y-capacitors (17), one Y-capacitor being connected to a positive-pole busbar (14a) and the other Y-capacitor being connected to a negative-pole busbar (14b). is. Zwischenkreiskondensator (10A-B) nach Anspruch 8, wobei die Y-Kondensatoren (17) mit einem Kühler (22) thermisch gekoppelt sind.intermediate circuit capacitor (10A-B) after claim 8 , wherein the Y-capacitors (17) are thermally coupled to a cooler (22). Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend einen Zwischenkreiskondensator (1 0A-B) nach einem der vorangehenden Ansprüche.Converter, in particular inverter, for energizing an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising an intermediate circuit capacitor (1 0A-B) according to one of the preceding claims. Elektrischer Achsantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine E-Maschine, eine Getriebeeinrichtung und einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, nach Anspruch 10.Electric axle drive for a vehicle, in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, comprising an electric machine, a transmission device and a power converter, in particular an inverter claim 10 . Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 11.Vehicle, in particular electric vehicle or hybrid vehicle, comprising an electric axle drive claim 11 .
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