-
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere das Einhalten elektrischer Isolationsabstände innerhalb eines Inverteraufbaus.
-
Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einem Akkumulator, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt.
-
DE 11 2013 001 936 T5 offenbart eine metallische Trägerstruktur in einem Inverter einer elektrischen Antriebseinheit eines Fahrzeugs mit mindestens einem als aus der Trägerstruktur gebildeten Befestigungsdom, wobei der Abstand zwischen Befestigungsdom und unisoliertem Hochvoltleiter einen vorgegebenen Mindestisolationsabstand einhält.
-
DE 11 2021 001 531 T5 zeigt ein Isolationselement, das über einem domartigen Leiter aufgebracht ist, um einen kürzeren direkten Abstand zweier Leiter als ein für deren Isolation nötigen Abstand zu ermöglichen.
-
WO 2005/ 094 149 A2 beschreibt eine Trägerplattform für elektrische Bauelemente und ein Modul mit der Trägerplattform.
-
Problematisch ist, dass aus konstruktiven Gründen offen liegende Stromschienen an Teilbereichen der metallischen Trägerstruktur vorbeigeführt werden müssen. Hierbei sind zwingend ein (elektrischer) Isolationsabstand und Toleranzen einzuhalten. Da es konstruktionsbedingt auch sein kann, dass die einzuhaltenden Abstände und Toleranzen nur schwierig einzuhalten sind, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche ein geringerer Abstand zwischen Stromschiene und Teilen der metallischen Trägerstruktur möglich ist als vorgeschrieben.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Vorgeschlagen wird eine metallische Trägerstruktur in einem Inverter einer elektrischen Antriebseinheit eines Fahrzeugs mit mindestens einem als aus der Trägerstruktur gebildeten Befestigungsdom, sowie mindestens ein Isolationselement aus elektrisch isolierendem Material, das über mindestens einen der Befestigungsdome aufgebracht ist, wobei der Abstand zwischen Befestigungsdom und unisoliertem Hochvoltleiter einen vorgegebenen Mindestisolationsabstand unterschreitet.
-
In einer Ausführung ist jedes Isolationselement als Hülse gebildet, die bei Montage über den Befestigungsdom aufgeschoben wird.
-
In einer Ausführung ist der Befestigungsdom als eine Schraubverbindung gebildet.
-
In einer Ausführung weist das Isolationselement einen CTI-Wert von mindestens 600 und nach geometrischer Ausgestaltung eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 2500V an einer Stelle mit einem geringsten Abstand zu dem unisolierten Hochvoltleiter auf. In einer Ausführung ist das Isolationselement aus einem kerbschlagzähen Kunststoff gebildet.
-
Die metallische Trägerstruktur weist an einem unteren Endbereich des Befestigungsdoms einen Hinterschnitt auf, und wobei das Isolationselement an einem unteren Bereich eine Rastnase aufweist, die nach Aufbringen des Isolationselements auf den Befestigungsdom an dem Hinterschnitt verrastet.
-
Ferner wird ein Inverter bereitgestellt, aufweisend die metallische Trägerstruktur sowie mindestens ein Elektronikmodul mit elektronischen Schaltelementen, das als Mehrphasen- oder Einzelphasenmodul gebildet ist, eine AC-, eine DC-Plus- und eine DC-Minus-Stromschiene, wobei mindestens eine der DC-Stromschienen nahe an einem der Befestigungsdome angeordnet ist, und mindestens ein Isolationselement aus elektrisch isolierendem Material, das über den mindestens einen der Befestigungsdome aufgebracht ist, der benachbart zu der Stromschiene angeordnet ist.
-
In einer Ausführung sind Befestigungsdom und benachbarte Stromschiene derart angeordnet, dass ein vorgegebener Mindestisolationsabstand einer elektrischen Isolation zwischen Befestigungsdom und Stromschiene unterschritten ist.
-
In einer Ausführung weist der Inverter ferner eine Leiterplatte auf, die oberhalb der metallischen Trägerstruktur und auf zumindest einem Teil der Befestigungsdome angeordnet ist und mittels einer Schraubverbindung daran derart befestigt ist, dass das Isolationselement zwischen metallischer Trägerstruktur und Leiterplatte fixiert ist.
-
Ferner wird eine Leistungselektronik zum Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors eines Fahrzeugs bereitgestellt, wobei die Leistungselektronik aufweist: den Inverter, aufweisend mindestens ein Elektronikmodul, sowie mindestens eine ECU, die mit dem Elektromotor zu dessen Steuerung und Regelung und mit dem Inverter verbunden ist.
-
Ferner wird eine elektrische Antriebseinheit eines Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend einen dreiphasigen Elektromotor und einen Akkumulator, sowie die mit beiden verbundene Leistungselektronik.
-
Ferner wird ein Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend die elektrische Antriebseinheit, die als elektrischer Achsantrieb gebildet ist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Ansicht auf einen Schraubdom mit Isolationselement gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Seitenansicht eines Schraubdoms mit Isolationselement gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine Detailansicht eines Isolationselements gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
-
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der vorgeschlagene Inverter mit dem erfindungsgemäßen Isolationselement wird vorteilhaft in einer Leistungselektronik zum Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors eines Fahrzeugs verwendet und ist mit einer als Treiber dienenden elektronischen Steuereinheit, kurz ECU, signaltechnisch verbunden. Die ECU dient dazu, den Inverter und den Elektromotor anzusteuern und zu regeln.
-
Die Leistungselektronik wird vorzugsweise in einer elektrischen Antriebseinheit (einem Elektroantrieb) eines Fahrzeugs verwendet, der einen dreiphasigen Elektromotor und einen Akkumulator aufweist, wobei die Leistungselektronik mit beiden verbunden ist, um mittels des Inverters vom Akkumulator eingehenden Gleichstrom (DC) in für den Elektromotor verwendbaren Wechselstrom (AC) zu wandeln. Der Elektromotor ist dabei insbesondere ein elektrischer Achsantrieb. Vorteilhaft weist ein Fahrzeug, z.B. ein PKW oder ein NKW, mindestens einen solchen Antrieb auf.
-
Die Leistungselektronik umfasst also mindestens einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein.
-
Bei einem Inverter werden elektrische Schaltungselemente häufig auf einer metallischen Trägerstruktur 1, die z.B. als Aluminium-Druckgussgehäuse, Trägerplatte oder ähnliches ausgeführt ist, montiert. Diese dient auch als Massepotential. Zur Kontaktierung von Komponenten zwischen unterschiedlichen Ebenen weist sie Durchgangs- oder Sacklöcher auf. Die Komponenten können dann z.B. mittels einer Verschraubung miteinander verbunden werden.
-
Auf der Trägerstruktur 1 sind Elektronikmodule angeordnet, welche die Phasen des Inverters bilden. Die Elektronikmodule sind mit Stromschienen (AC, DC) elektrisch kontaktiert und dazu eingerichtet, den über die DC-Stromschienen 40, 41 erhaltenen Gleichstrom in einen Wechselstrom AC zu wandeln und über die AC-Stromschiene abzuführen. Die elektrische Verbindung zwischen Inverter und Elektromotor erfolgt also über eine AC-Stromschiene (nicht gezeigt) und die elektrische Verbindung zwischen Inverter und Akkumulator erfolgt über zwei DC-Stromschienen, eine DC-Minus-Stromscheine 40 und eine DC-Plus-Stromschiene 41.
-
Die Elektronikmodule sind in den Figuren nicht dargestellt, da sie von einem Niederhalter 2 wie in 1 gezeigt verdeckt sind. Dabei kann je Phase des Inverters (normalerweise sind es drei Phasen) ein separates Elektronikmodul vorgesehen sein, oder ein einzelnes Elektronikmodul (Mehrphasenmodul).
-
Die Elektronikmodule und AC- und DC-Stromschienen (und ggf. weitere Komponenten) müssen überwunden werden, um beispielsweise eine Leiterplatte mit der Trägerstruktur 1 zu verbinden. Deshalb sind die Durchführungen, welche z.B. als Durchgangs- oder Sacklöcher gebildet sind, zur Befestigung von einer oberhalb der Trägerstruktur 1 angeordneten Leiterplatte 3 als Befestigungsdome, vorzugsweise als Schraubdome 11, wie in den Figuren gezeigt, gebildet. Nachfolgend wird aufgrund der Bezugnahme zu den Figuren der Begriff Schraubdome 11 verwendet.
-
Die oberhalb der Trägerstruktur 1 angeordnete und über die Schraubdome 11 daran befestigte Leiterplatte 3 dient z.B. als Signalsammelplatine, um Signale zur Weiterverarbeitung zu einer Steuereinheit, z.B. einer ECU, zu leiten. Die Leiterplatte 3 wird bei Montage auf die Schraubdome 11 aufgelegt und über Durchgangslöcher in der Leiterplatte 3 an den Schraubdomen 11 befestigt, z.B. mittels einer Verschraubung 30 (Schraube), wie in 1 und 2 gezeigt.
-
Problematisch ist, dass offen liegende DC-Stromschienen 40, 41, welche an den Schraubdomen 11 der Trägerstuktur 1 vorbeigeführt werden, abhängig von der Anwendung vorgegebene Isolationsabstände und Toleranzen einhalten müssen. Auch führen spezielle Anforderungen an niederinduktive Anbindungen, also an großflächig laufende, dünne und flache Stromschienen einzelner Komponenten, zu Zielkonflikten bezüglich der elektrischen Isolation. Auch können dynamische Belastungen wie Schwingungen die vorgesehenen Isolationsabstände verringern.
-
Beispielsweise kann ein aufgrund der Anwendung durch Vorschriften vorgegebener Soll-Abstand zwischen einem Schraubdom 11 und einem unisolierten Hochvoltleiter (z.B. DC-Schiene 41) 3mm betragen, die Toleranz zwischen Stromschiene 40, 41 zur Trägerstruktur 1 (Worst-Case) ist konstruktionsbedingt 2mm und ein Schwingweg beträgt 0,2mm. Somit ist ein Abstand bei der Konstruktion von 5,2mm zu wählen, also ein Radius des Schraubdoms 11 von 5,2mm, um den keine Stromschiene 40, 41 offen liegend (unisoliert) verlegt werden darf. Somit wird klar, dass auch bei Einhaltung der sonstigen Anforderungen die Stromtragfähigkeit von diesen Stromschienen 40, 41 durch die Querschnittsverringerung verringert ist.
-
Zusätzlich ist problematisch, dass der Abstand zwischen den Komponenten aus herstellungstechnischen Gründen nicht in einfacher Weise verringert werden kann, da die Stromschienen 40, 41 in der Regel einheitliche Maße für alle Anwendungen haben, also nicht in einfacher Weise verkleinert werden können, und auch aus Platzgründen nicht in einfacher Weise verschoben werden können.
-
Insofern besteht die Notwendigkeit, eine Lösung zu finden, um die vorgegebenen Isolationsanforderungen einzuhalten, ohne dabei die grundsätzliche Konstruktion des Inverters zu verändern.
-
Dieses Problem wird gelöst, indem eine Möglichkeit bereitgestellt wird, den geforderten Mindestisolationsabstand zu verringern. Dies wird durch ein Bauteil in Form eines Isolationselements 5 erreicht, das über den oder die betroffenen Befestigungsdome 11, welche in den Figuren als Schraubdome 11 ausgeführt sind, montiert wird. Das Isolationselement 5 kann dabei als Hülse gebildet sein, die über den Schraubdom 11 aufgeschoben oder aufgesteckt wird. Alternativ kann ein geeignetes, elektrisch isolierendes Klebeband, z.B. ein Kapton-Klebeband, um den Schraubdom 11 vorgesehen werden.
-
Das Isolationselement 5 besteht vorteilhaft aus einem geeigneten, elektrisch isolierenden Material wie Kunststoff. Das Material hat dabei einen CTI-Wert von mindestens 600 (die Kriechstromfestigkeit wird mit dem CTI-Wert, „comparative tracking index“ bestimmt). Das Isolationselement 5 weist nach geometrischer Ausgestaltung eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 2500V an der Stelle mit dem geringsten Abstand zu dem benachbarten, nächstgelegenen, unisolierten Hochvoltleiter (in den DC-Schiene 41) auf. Somit kann der kleinste erlaubte Abstand zwischen Schraubdom 11 mit Isolationselement 5 und unisoliertem Hochvoltleiter (hier DC-Schiene 41) berechnet und bestimmt werden.
-
Außerdem ist das Isolationselement 5 vorteilhaft aus einem kerbschlagzähen Kunststoff gebildet. Durch das Isolationselement 5 wird eine Isolationsschicht geschaffen, so dass der ansonsten elektrisch leitfähige Schraubdom 11 nunmehr als Isolator dient. Damit kann die Stromschiene, welche in den in den Figuren gezeigten Ausführungen die DC-Plus-Stromschiene 41 ist, näher an dem Schraubdom 11 platziert werden als wenn kein Isolationselement 5 vorgesehen wäre, während die vorgeschriebenen elektrischen Isolationsanforderungen dennoch eingehalten werden. In diesem Zusammenhäng kann der Begriff „näher“ nicht exakt definiert werden, da der einzuhaltende Mindestisolationsabstand, der aufgrund des näheren Platzierens unterschritten werden kann, von der Ausgestaltung der Komponenten des Inverters abhängt, also von den verwendeten DC-Stromschienen 40, 41, dem vorhandenen Platz und damit dem Design des Inverters, den elektrischen Eigenschaften, der geforderten Leistung etc. Der einzuhaltende Mindestisolationsabstand ohne das erfindungsgemäße Isolationselement 5 kann berechnet werden, wie oben anhand des Beispiels gezeigt. Auch der durch das Isolationselement 5 verringerte Mindestisolationsabstand kann berechnet werden, da die Eigenschaften des Isolationselements 5 bekannt sind.
-
Durch das Bereitstellen des Isolationselements 5 können also die geforderten, einzuhaltenden Isolationsabstände zu unisolierten Hochvoltleitern (in 1 wäre Schiene 41 der zu betrachtende unisolierte Hochvoltleiter) verringert werden ohne dass eine Anpassung der Breite der DC-Stromschienen 40, 41 erfolgen muss. Somit kann der Befestigungsdom 11 möglichst nahe an das hochvoltführende, unisolierte Bauteil (in 2 DC-Schiene 41) herangeführt werden kann. Es können also aufgrund der Isolierung die geforderten Mindestisolationsabstände unterschritten werden.
-
Um die Montage zu erleichtern, kann in einer Ausführung eine Vorfixierung an dem Isolationselement 5 vorgesehen sein. In einer Ausführung, wie in 3 gezeigt, befindet sich an einem unteren Endbereich des Schraubdoms 11, also an dem der Leiterplatte 3 abgewandten Ende, ein Hinterschnitt 12 in der Trägerstruktur. In diesen Hinterschnitt 12 kann eine an einem unteren Ende des Isolationselements 5 gebildete Rastnase 50 einhaken, nachdem das Isolationselement 5 über den Schraubdom 11 aufgebracht, z.B. aufgeschoben oder aufgesteckt, wurde. Wenn dann die Leiterplatte 3 auf dem Schraubdom 11 befestigt wird (mittels Verschraubung 30), ist das Isolationselement 5 zwischen Leiterplatte 3 und Trägerstruktur 1 geklemmt und damit endgültig fixiert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- metallische Trägerplatte
- 11
- Befestigungsdom (Schraubdom)
- 12
- Hinterschnitt
- 2
- Niederhalter für Elektronikmodul(e)
- 3
- Leiterplatte
- 30
- Schraubverbindung
- 40
- DC-Minus Stromschiene/Busbar
- 41
- DC-Plus Stromschiene/ Busbar/ Hochvoltleiter
- 5
- Isolationselement
- 50
- Rastnase
