WO2013023931A2 - Fahrzeug mit leistungselektronik - Google Patents

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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a vehicle having a power electronics unit for converting energy between a DC circuit and a polyphase three-phase machine, wherein the power electronics unit comprises a power module, a driver board and a control board, the power electronics unit having two DC busbars, to which
  • an electric inverter come to a power module grouped electronic semiconductor circuit breakers, mostly IGBTs (insulated-gate bipolar transistor), used, which resembles a populated circuit board. Furthermore, an inverter usually has a separate driver board, via which the voltage control of the gates takes place.
  • IGBTs insulated-gate bipolar transistor
  • an inverter has a control board that has a central processor (CPU).
  • the operating voltage of the control board is usually in
  • the driver board and the power module are designed for high voltage.
  • the power module is connected to bus bars for the flow of alternating current.
  • the busbars are equipped with current sensors.
  • Design processes the measurement signal at the location of the measurement.
  • Power module are connected. Moreover, the control board for each phase bus bar on a passage through which the respective phase bus bar is performed.
  • phase busbars are arranged in the smallest possible spatial distance from the control board.
  • control board has a current sensor at each feedthrough, each current sensor measuring the current in the respective phase busbar.
  • the control board has a central processor and an analog data connection to each of the current sensors.
  • Each current sensor transmits a current measurement signal via the data connection assigned to the respective sensor.
  • the data connection cable connections are carried out, via which in each case an analog measurement signal from the respective current sensors to the central processor is up-centered. It is particularly advantageous that results in a minimized length of the cable connection between the current sensors and the central processor due to the small spatial distance. Therefore, the sensitivity of the current measurement signals is opposite
  • Electric and hybrid vehicles have an electrified powertrain in the high-voltage range of up to more than 380 volts.
  • the powertrain is due to a variety of operating conditions and influencing variables as precise as possible to control. A virtually trouble-free measurement of the phase currents of the electrical machine contributes to this.
  • Hybrid vehicles are used in power electronics current sensors to measure the phase currents of the electrical machine. These current sensors are of central importance in the regulation of the electrical machine. Therefore, disturbances or phase shifts of the current measurement signals from the current sensors must be avoided at all costs. By a clever topological arrangement of the boards of the
  • Power electronics can decide to improve the signal quality. This can be achieved by placing the phase current sensors on the controller board to minimize the trace length between the current sensor and the analog to digital converter of the CPU.
  • the busbars for the individual phases by the
  • Controller board led. This creates a potential for saving material costs and weight.
  • Fig. 1 power electronics unit
  • Fig. 2 power electronics unit in exploded view
  • Fig. 1 shows schematically a power electronics unit for a motor vehicle.
  • the power electronics unit is shown in an exploded view, wherein the reference numerals in Fig. 2 correspond to the reference numerals in Fig. 1.
  • the power electronics unit is an example of a power electronics inverter for a three-phase electrical system
  • power module (1) On a board, which is referred to as power module (1), there are three half-bridges (2 ', 2 ", 2"') of high-power semiconductor switches (IGBTs, insulated-gate bipolar transistors) and
  • Each half-bridge is in each case connected to a phase busbar (3 ', 3 ", 3"').
  • the phase busbars are extendible with rail extensions (10 ', 10 ", 10"') to make a conductive connection to the electrical machine.
  • the gates of the IGBTs are controlled by a driver circuit, which is based on a
  • the power electronics unit has a control board (5) with a central processor ⁇ CPU, 6).
  • the control board has recesses through which the phase busbars can be passed. At the recesses, the board may have spacers between the circuit board and the performed phase bus bars.
  • control board has at the recesses via current sensors (7, 7 ", 7" '), which may be formed, for example, as Hall sensors.
  • the Hall sensors also have feedthroughs (8 ', 8 ", 8"') through which the phase bus bars are routed to allow current measurement according to the Hall principle.
  • the Hall sensors are analog sensors and each determine an analog measurement signal. These measuring signals are each transmitted via a conductor or a cable (9 ', 9 ", 9"') connected to the central processor.
  • the spatial proximity of the current sensors for the phase busbars has a particularly advantageous effect on the quality of the current measuring signals, since a short distance for the
  • Data transmission is possible.
  • the data transmission lines are located exclusively in the area of the control board.
  • the IGBT control signals are therefore virtually trouble-free and can be applied with little inherent line inductance. This contributes to the fast and precise control of the IGBTs and additionally leads to a more precise controllability of the phase currents.
  • the driver of the vehicle then benefits from a particularly smooth and supple driving experience with short response of the electric machine.
  • the compact design thus saves material and space.

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Abstract

Fahrzeug mit einer Leistungselektronikeinheit zum Wandeln von Energie zwischen einem Gleichstromkreis und einer mehrphasigen Drehstrommaschine, wobei die Leistungselektronikeinheit ein Leistungsmodul, eine Treiberplatine und eine Steuerplatine umfasst, und die Leistungselektronikeinheit zwei Gleichstromschienen aufweist, an die der Gleichstromkreis anschließbar ist, und die Leistungselektronikeinheit Phasenstromschienen aufweist, an die mehrphasige Drehstrommaschine anschließbar ist, wobei die Anzahl der Phasenstromschienen der Anzahl der Phasen der mehrphasigen Drehstrommaschine entspricht, derart ausgebildet, dass die Anordnung des Leistungsmoduls, der Treiberplatine und der Steuerplatine einem Sandwich-Aufbau entspricht, die Phasenstromschienen mit dem Leistungsmodui verbunden sind, und die Steuerplatine für jede Phasenstromschiene eine Durchführung aufweist, durch die die jeweilige Phasenstromschiene durchgeführt ist.

Description

Fahrzeug mit Leistungselektronik
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Leistungselektronikeinheit zum Wandeln von Energie zwischen einem Gleichstromkreis und einer mehrphasigen Drehstrommaschine, wobei die Leistungselektronikeinheit ein Leistungsmodul, eine Treiberplatine und eine Steuerplatine umfasst, die Leistungselektronikeinheit zwei Gleichstromschienen aufweist, an die der
Gleichstromkreis anschließbar ist, und die Leistungselektronikeinheit Phaseristromschienen aufweist, an die die mehrphasige Drehstrommaschine anschließbar ist, wobei die Anzahl der Phasenstromschienen der Anzahl der Phasen der mehrphasigen Drehstrommaschine entspricht.
Leistungselektronische Komponenten, die in modernen Kraftfahrzeugen wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, sind im Vergleich zu stationären Anwendungen wie in der Industrie- und Anlagentechnik kritischeren Anforderungen ausgesetzt. Dies betrifft
beispielsweise die geometrischen Gestaltung und den Bauraum, sowie die
Temperaturbeständigkeit oder die Auslegung für den Kurzzeitbetrieb.
In Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang werden als Leistungselektronikkomponenten insbesondere elektrische Wechsel- bzw. Gleichrichter benötigt, die Energie zwischen einem
Gleichspannungsbordnetz im Hochvoltbereich und einer mehrphasigen E Maschine wandeln.
In einem elektrischen Wechselrichter kommen zu einem Leistungsmodul gruppierte elektronische Halbleiterhochleistungsschalter, meist IGBTs (insulated-gate bipolar transistors), zum Einsatz, das einer bestückten Leiterplatte ähnelt. Weiterhin weist ein Wechselrichter meist eine separate Treiberplatine auf, über die die Spannungssteuerung der Gates erfolgt.
Außerdem verfügt ein Wechselrichter über eine Steuerplatine, die einen zentralen Prozessor (CPU) aufweist. Die Betriebsspannung der Steuerplatine liegt üblicherweise im
Niedervoltbereich, die Treiberplatine und das Leistungsmodul sind für Hochspannung ausgelegt.
Nach dem Stand der Technik ist das Leistungsmodul mit Stromschienen für den Fluss des Wechselstroms verbunden. Üblicherweise sind die Stromschienen mit Stromsensoren ausgestattet. Meist wird ein analoges Messsignal der Stromsensoren an die CPU der
Steuerplatine übermitteln. Wie aus der wissenschaftlichen Publikation DOI 10.1 109/ISPSD.2008.4538886 hervorgeht, wird alternativ nach einen kostenintensiveren
Ausgestaltung das Messsignal am Ort der Messung prozessiert.
Aus dem Dokument US 2004/0066643 geht eine Anordnung für Stromschienen und
metallischer Schirmplatte hervor, um die Wechselwirkungen der Elektronik mit den
elektromagnetische Störfeldern durch das Schalten der IGBTs zu minimieren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einer verbesserten
Leistungselektronikeinheit zu beschreiben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit Leistungselektronikeinheit gemäß Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß entspricht die Anordnung des Leistungsmoduls, der Treiberplatine und der
Steuerplatine einem Sandwich-Aufbau, wobei die Phasenstromschienen mit dem
Leistungsmodul verbunden sind. Überdies weist die Steuerplatine für jede Phasenstromschiene eine Durchführung auf, durch die jeweilige Phasenstromschiene durchgeführt ist.
Dadurch wird der Effekt erzielt, dass die Phasenstromschienen in möglichst geringer räumlicher Entfernung zur Steuerplatine angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerplatine an jeder Durchführung einen Stromsensor auf, wobei jeder Stromsensor den Strom in der jeweiligen Phasenstromschiene misst.
Dies bietet den besonderen Vorteil, dass die Stromsensoren, die die jeweiligen Phasenströme der elektrischen Maschine in den Phasenstromschienen ermitteln, durch die Anordnung der Phasenstromschienen auf der Steuerplatine integrierbar sind.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung weist die Steuerplatine einen zentralen Prozessor und eine analoge Datenverbindung zu jedem der Stromsensoren auf. Jeder Stromsensor übermittelt über die dem jeweiligen Sensor zugeordnete Datenverbindung ein Strommesssignal. Bevorzugt sind die Datenverbindung Kabelverbindungen ausgeführt, über die jeweils ein analoges Messsignal von den jeweiligen Stromsensoren an den zentralen Prozessor Obermittelt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass sich eine minimierte Länge der Kabelverbindung zwischen den Stromsensoren und dem zentralen Prozessor infolge der geringen räumlichen Distanz ergibt. Deshalb ist die Empfindlichkeit der Strommesssignale gegenüber
elektromagnetischen Störungen gering.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn das Fahrzeug als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Elektro- und Hybridfahrzeuge verfügen über einen elektrifizierten Antriebsstrang im Hochvoltbereich von bis zu über 380 Volt. Der Antriebsstrang ist aufgrund einer Vielzahl von Betriebszuständen und Einflussgrößen möglichst präzise zu steuern. Eine nahezu störungsfreie Messung der Phasenströme der elektrischen Maschine leistet hierfür einen Beitrag.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Bei Elektro- und
Hybridfahrzeugen kommen in der Leistungselektronik Stromsensoren zum Einsatz, um die Phasenströme der elektrischen Maschine zu messen. Diesen Stromsensoren kommt eine zentrale Bedeutung bei der Regelung der elektrischen Maschine zu. Deshalb sind Störungen oder Phasenverschiebungen der Strommesssignale von den Stromsensoren unbedingt zu vermeiden. Durch eine geschickte topologischen Anordnung der Platinen der
Leistungselektronik kann die Signalqualität entscheiden verbessert werden. Dies kann erreicht werden, indem die Phasenstromsensoren auf der Controllerplatine platziert werden, um die Leiterbahnlänge zwischen dem Stromsensor und dem Analog-Digftal-Wandler der CPU zu minimieren. Hierzu werden die Stromschienen für die einzelnen Phasen durch die
Controllerplatine geführt. Daraus entsteht ein Potential zur Einsparung von Materialkosten und Gewicht.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch .
Fig. 1 Leistungselektronikeinheit
Fig. 2 Leistungselektronikeinheit in Explosionsdarstellung
Fig. 1 zeigt schematisch eine Leistungselektronikeinheit für ein Kraftfahrzeug. In Fig. 2 ist die Leistungselektronikeinheit in einer Explosionszeichnung dargestellt, wobei die Bezugszeichen in Fig. 2 den Bezugszeichen in Fig. 1 entsprechen. Die Leistungselektronikein eit ist als beispielhaft als ieistungselektronischer Wechselrichter für eine dreiphasige elektrische
Maschine ausgeführt.
Auf einer Platine, die als Leistungsmodul (1 ) bezeichnet wird, befinden sich drei Halbbrücken (2', 2", 2"') von Hochleistungshalbleiterschaltern (IGBTs, insulated-gate bipolar transistors) und
Halbleiterdioden. Jede Halbbrücke ist jeweils mit einer Phasenstromschiene (3', 3", 3"') verbunden. Die Phasenstromschienen sind mit Schienenverlängerungen (10', 10", 10"') verlängerbar, um eine leitenden Verbindung mit der elektrischen Maschine herzustellen. Die Gates der IGBTs werden über eine Treiberschaltung angesteuert, die sich auf einer
Treiberplatine (4) befindet.
Ferner verfügt die Leistungselektronikeinheit über eine Steuerplatine (5) mit einem zentralen Prozessor {CPU, central processing unit, 6). Die Steuerplatine weist Aussparungen auf, durch die die Phasenstromschienen geführt werden können. An den Aussparungen kann die Platine Abstandshalter zwischen der Leiterplatte und den durchgeführten Phasenstromschienen aufweisen.
Außerdem verfügt die Steuerplatine an den Aussparungen über Stromsensoren (7, 7", 7"'), die beispielsweise als Hallsensoren ausgebildet sein können. Die Hallsensoren weisen ebenfalls Durchführungen (8', 8", 8"') auf, durch die die Phasenstromschienen geführt sind, um eine Strommessung nach dem Hall-Prinzip zu ermöglichen. Die Hallsensoren sind analoge Sensoren und ermitteln jeweils ein analoges Messsignal. Diese Messsignale werden jeweils über eine Leiterbahn oder ein kabeigebundene Leitung (9', 9", 9"') an den zentralen Prozessor übermittelt.
Die räumliche Nähe der Stromsensoren für die Phasenstromschienen wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Qualität der Strommesssignale aus, da eine kurze Strecke für die
Datenübermittlung ermöglicht ist. Außerdem sind die Leitungen für die Datenübermittelung ausschließlich im Bereich der Steuerplatine befindlich.
Im Vergleich zum Stand der Technik, nach dem die räumliche Distanz zwischen den analogen Stromsensoren und der CPU der Steuerplatine größer ist, ergibt sich eine bessere Schirmung der Leitungen für die Obermittlungen des analogen Messsignals. Die elektromagnetischen Störeinflüsse, die durch das Schalten der höhen Ströme des IGBTs bedingt sind und zu einer unerwünschten und kaum verifizierbaren Zeitverschiebung bzw. Phasenverschiebung der Messsignale führen, sind reduziert. Damit ist eine präzise Regelung der Phasenströme, d.h. der elektrischen Maschine, bei geringem Kosteneinsatz und geringem Bauraumbedarf des
Wechselrichters möglich. Dies differenziert das Ausführungsbeispie! von dem Stand der Technik, nach dem die von den Stromsensoren gemessenen Signale am Ort der
Strommessung prozessiert werden. Hier werden zusätzliche Leiterplatten für jeden
Stromsensoren notwendig, die jeweils eine Funktionalität aufweisen, die an sich durch eine CPU bereitgestellt ist.
Außerdem besteht eine Differenzierung des Ausführungsbeispiels gegen den Stand der Technik, nach dem die von den Stromsensoren gemessenen Signale bevorzugt mithilfe von RC-Filtern zur Störkompensation prozessiert werden. Derartige Filter können bei dem in Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel entfallen oder mit weit geringerer Komplexität als nach dem Stand der Technik zum Einsatz kommen.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Anordnung nach den Figs. 1 und 2 ergibt, ist die kompakte Bauform des Wechselrichters. Sämtliche Leitungen können kurz und somit EMV-verträglich für die gesamte Anordnung gehalten werden. Dies betrifft nicht nur die Leitungen zur
Datenübermittlung der Stromsensoren, sondern auch die Steuerleitungen der IGBTs zwischen der Treiberplatine und dem Leistungsmodul. Die IGBT-Steuersignale sind daher nahezu störungsfrei und mit wenig inhärenter Leitungsinduktivität applizierbar. Dies trägt zur schnellen und präzisen Ansteuerung der IGBTs bei und führt zusätzlich zur genaueren Regelbarkeit der Phasenströme. Der Fahrer des Fahrzeugs profitiert dann von einem besonders ruckelfreien und geschmeidigen Fahrerlebnis mit kurzen Ansprechverhalten der elektrischen Maschine.
Die kompakte Bauweise spart also Materialeinsatz und Bauraum.
Nach einer weiteren Ausführungsform können die Bausteine der Treiberplatine auch auf einem
Abschnitt der Steuerplatine integriert sein, so dass die zwischen dem Leistungsmodul und der Steuerplatine befindliche Treiberplatine entfallen kann.

Claims

Patentansprüche
1 . Fahrzeug mit einer Leistungselektronikeinheit zum Wandeln von Energie zwischen einem Gleichstromkreis und einer mehrphasigen Drehstrommaschine, wobei die Leistungselektronikeinheit ein Leistungsmodul, eine Treiberplatine und eine
Steuerplatine umfasst, und die Leistungselektronikeinheit zwei Gleichstromschienen aufweist, an die der Gleichstromkreis anschließbar ist, und die
Leistungselektronikeinheit Phasenstromschienen aufweist, an welche die mehrphasige Drehstrommaschine anschließbar ist, wobei die Anzahl der Phasenstromschienen der Anzahl der Phasen der mehrphasigen Drehstrommaschine entspricht,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Leistungsmoduls, der Treiberplatine und der Steuerplatine zueinander in einem Sandwich- Aufbau angeordnet sind,
- die Phasenstromschienen mit dem Leistungsmodul elektrisch verbindbar sind,
- die Steuerplatine für jede Phasenstromschiene eine Durchführung aufweist, durch welche die jeweilige Phasenstromschiene durchführbar ist.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Steuerplatine an jeder Durchführung einen Stromsensor aufweist,
- jeder Stromsensor den Strom in der jeweiligen Phasenstromschiene misst.
3. Fahrzeug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Steuerplatine einen zentralen Prozessor aufweist,
- die Steuerplatine zwischen dem zentralen Prozessor und den Stromsensoren jeweils eine analoge Datenverbindung aufweist,
- dass durch die Stromsensoren über die jeweilige Datenverbindung ein
Strommesssignal an den zentralen Prozessor übermittelbar ist.
4. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Fahrzeug als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist.
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