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Die vorliegende Erfindung betrifft eine modulare Antriebswechselrichter-Anordnung.
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Zum Ansteuern elektrischer Maschinen werden unter anderem Umrichter eingesetzt, wobei die Maschinen zwar mittels einer Gleichstromquelle gespeist werden, aber eine oder mehrere Wechselstromphasen benötigen. Ein solcher Umrichter weist unter anderem einen Antriebswechselrichter auf, der Gleichspannung aus dem Umrichter in eine Wechselspannung mit gewünschter Frequenz umsetzt. Solche Antriebswechselrichter werden vorteilhafterweise in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen oder in Fahrzeugen mit Hybridantrieb eingesetzt.
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Bei solchen elektrischen Antrieben im automobilen Umfeld wurde in der Vergangenheit auf eine Integration von elektrischer Maschine, Getriebe und Antriebswechselrichter verzichtet. Dies hat zur Folge, dass der Antriebswechselrichter ein eigenes Metallgehäuse besitzt, beispielsweise aus Aluminium-Druckguss. Dabei bietet sich an, in das Metallgehäuse die Kühlmittelführung zu integrieren. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Ausführung des Antriebswechselrichters, genauer die Positionierung der Komponenten, eingeschränkt wird. Weiterhin ist die Positionierung der Schnittstellen zu externen Vorrichtungen dadurch eingeschränkt.
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Ferner ist die Skalierbarkeit des Antriebswechselrichters eine große Herausforderung. Hier sind Ausführungen bekannt, welche das Problem durch eine Minderbestückung der Leistungsmodule gelöst haben. Dies bedeutet, dass beispielsweise pro topologischem Schalter statt drei Halbleiterchips nur zwei Stück verwendet werden. Dies bringt einfache, aber sehr eingeschränkte und nicht kosteneffiziente Skalierbarkeit.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine modulare Antriebswechselrichter-Anordnung bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile überwindet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine modulare Antriebswechselrichter-Anordnung, aufweisend und in der Reihenfolge übereinander angeordnet: zumindest einen Kondensator, eine Kühlvorrichtung, zumindest Leistungsmodul und eine Ansteuerplatine, wobei die modulare Antriebswechselrichter-Anordnung ferner zumindest eine an einem ihrer äußeren Bereiche angeordnete Schnittstelle zur Kontaktierung der modularen Antriebswechselrichter-Anordnung mit zumindest einer externen Vorrichtung über zugehörige Verbindungsmittel aufweist.
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Durch die räumlich flexible Anordnung der Schnittstelle an einem Außenbereich der Antriebswechselrichter-Anordnung, z.B. an einem Außenbereich der Ansteuerplatine, des Kondensators, des Fahrzeugsteckers oder der AC- oder DC-Anschlüsse, können auch die Verbindungsmittel räumlich flexibel angeordnet werden, so dass eine optimierte Bauraumausnutzung resultiert.
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In einer Ausführung weist Anordnung zumindest ein Verbindungsmittel auf, von denen jedes mit einer zugehörigen der Schnittstellen derart zur Kontaktierung der modularen Antriebswechselrichter-Anordnung mit zumindest einer externen Vorrichtung verbindbar ist, dass eine Anbindung jeder der Schnittstellen mit dem zugehörigen Verbindungsmittel zur Kontaktierung mit der zumindest einen externen Vorrichtung mit Freiheitsgraden zumindest in eine x- oder eine y-Richtung erfolgen kann. Somit wird sichergestellt, dass keine der Schnittstellen derart verbaut ist, dass das zugehörige Verbindungsmittel eine vorgegebene Position oder einen vorgegebenen Verlauf zur Verbindung einhalten muss.
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In einer Ausführung ist zumindest eine der Schnittstellen eine elektrische oder Signal-Schnittstelle, und als externe Vorrichtung ist zumindest eines aus einem Gleichstromanschluss, einem Wechselstromanschluss und einem Fahrzeugstecker vorgesehen. In einer weiteren Ausführung ist zumindest eine der Schnittstellen ein Kühlmittelanschluss, der derart gebildet ist, dass der Kühlvorrichtung ein Kühlmedium bereitgestellt werden kann.
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In einer Ausführung ist jede der Schnittstellen derart an der Anordnung angeordnet, dass sie mit jedem zugehörigen Verbindungsmittel derart kontaktierbar ist, dass das Verbindungsmittel in x-Richtung oder in y-Richtung oder z-Richtung oder einer Kombination daraus zur Kontaktierung der zumindest einen externen Vorrichtung geführt werden kann. Durch den weiteren Freiheitsgrad in z-Richtung kann die Bauraumausnutzung noch weiter optimier werden.
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In einer Ausführung ist die Ansteuerplatine eine kombinierte Steuer- und Treiberplatine.
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Vorgeschlagen wird ferner eine gespiegelte modulare Antriebswechselrichter-Anordnung, wobei die beschriebene Anordnung einfach oder mehrfach gespiegelt in einer Einheit hergestellt ist. Somit kann eine höhere Leistung dargestellt werden.
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Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktierung zwischen der beschriebenen modularen Antriebswechselrichter-Anordnung und mindestens einer externen Vorrichtung, wobei die Schnittstellen derart flexibel an der Anordnung angeordnet sind, dass eine Kontaktierung der Schnittstellen mit zugehörigen Verbindungsmitteln mit Freiheitsgraden in zumindest eine aus der x-Richtung oder der y-Richtung oder der z-Richtung oder einer Kombination daraus erfolgen kann.
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In einer Ausführung wird die beschriebene Anordnung einfach oder mehrfach gespiegelt in einer Einheit hergestellt.
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In einer Ausführung kann durch konstruktives oder reales Durchtrennen der gespiegelten modularen Antriebswechselrichter-Anordnung an einer vorgegebenen Linie die Einheit in eine beschriebene Anordnung geteilt werden. Bei einem solchen konstruktiven Durchtrennen sind insbesondere von vorne herein zwei separate Einheiten für die Antriebswechselrichter-Anordnung konstruktiv vorgesehen, die gegebenenfalls separat voneinander hergestellt werden. Bei einem solchen realen Durchtrennen ist es hingegen insbesondere vorgesehen, dass die Antriebswechselrichter-Anordnung zunächst als eine Einheit bereitgestellt wird und diese dann im Rahmen des Herstellungsverfahrens real (beispielsweise maschinell) an der Linie durchtrennt wird, um zwei separate Einheiten zu erhalten.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine abstrahierte Darstellung der Anordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine detaillierte Darstellung der Anordnung sowie zweier Varianten gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
- Fig.en 3a und 3b zeigen eine Darstellung der Skalierbarkeit der Anordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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Die Basisausführung des erfindungsgemäßen Aufbaukonzeptes, also der modularen Antriebswechselrichter-Anordnung 100, ist in 1 gezeigt. Die Anordnung 100 weist eine in dieser Ausführung als Kühlplatte ausgebildete Kühlvorrichtung 2 auf, welche als zentrales Element zwischen dem bzw. den Halbleitermodul(en) bzw. Leistungsmodul(en) 3 und dem Kondensator 1 vorgesehen ist. Diese Kühlplatte 2 dient zur Kühlung der Leistungsmodule bzw. der Halbleitermodule 3 auf ihrer einen Seite und bei Bedarf des Kondensators 1 auf ihrer anderen Seite. Über den Leistungsmodulen 3 selbst ist eine kombinierte Treiber- und Steuerplatine 4 angebracht.
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Durch dieses Basiskonzept kann eine direkte Integration in das Getriebegehäuse mit einer flexiblen, d.h. an den verfügbaren Bauraum anpassbaren, Kontaktierung externer Vorrichtungen wie Fahrzeugstecker, AC- oder DC-Anschlüssen, Kühlmittelanschluss etc., erfolgen. Bei Bedarf kann ein Kunststoffgehäuse zur Abdichtung (Staubschutz, Nässeschutz etc.) und/oder zum Berührschutz hinzugefügt werden kann.
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Außerdem ist durch die einfache Geometrie, durch die eine Kühlung von beiden Seiten der Kühlplatte, also zur Seite des Kondensators 1 und der Seite mit den Leistungsmodulen 3, erfolgen kann, ein sehr gutes Kosten/Nutzen-Verhältnis gegeben. Die zentrale Anordnung der Kühlplatte 2 ermöglicht ferner eine einfachere Toleranzrechnung, da die Kühlplatte 2 als zentrales Element zur Positionierung dient.
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Durch die gestapelte Anordnung der Komponenten wird eine Freiheit bzw. werden Freiheitsgrade der Positionierung dieser Komponenten in x- bzw. y-Richtung, sowie in weiteren Ausführungen in z-Richtung, ermöglicht. Somit können sowohl der Fahrzeugstecker 300, als auch der Gleichstrom (DC)- Anschluss 200, der Wechselstrom (AC)-Anschluss 400 und der Kühlmittelanschluss flexibel an der Anordnung 100 bzw. den zugehörigen Schnittstellen 201, 401 je nach Anforderung positioniert werden. In z-Richtung können die genannten Schnittstellen 201 und 401 ebenfalls jeweils in mindestens eine Richtung flexibel angepasst werden. Als Schnittstellen 201, 401 dienen sowohl Anschlussteile für die elektrische Kontaktierung, also z.B. Gleichstrom (DC)- Anschluss 201 und/oder Wechselstrom (AC)-Anschluss 401, als auch der Kühlanschluss (nicht gezeigt) zur Bereitstellung des z.B. als Kühlmittel bereitgestellten Kühlmediums an die Kühlvorrichtung 2 und der (nicht gezeigte) Anschluss für den Fahrzeugstecker 300, welcher als Signalanschluss bzw. Busbar ausgeführt sein kann. Durch in 2 gezeigten an diesen Schnittstellen 201, 401 angeordnete Verbindungsmittel 202 bzw. 402 können externe Vorrichtungen, z.B. zur Versorgung mit Gleichstrom oder Wechselstrom 200 bzw. 400 oder mit einem Kühlmedium, oder ein Fahrzeugstecker 300 mit der Anordnung 100 verbunden werden.
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Eine vorteilhafte Ausführung, bei der die beschriebene Anordnung 100 zu einem Kernmodul ausgebildet und auf einer Trägerplatte 101 angeordnet ist, ist in 2 gezeigt. Weiterhin ist hier anhand von zwei Kontaktierungs-Varianten V1 und V2 aufgezeigt, dass sich das Konzept flexibel an unterschiedlichste Anforderungen und verfügbare Bauräume anpassen lässt, da sich durch die flexible Positionierungsmöglichkeit der Schnittstellen 201, 401, welche sich aufgrund der gestapelten Anordnung der Komponenten 1-4 ergibt, auch die zugehörigen Verbindungsmittel 202, 402 flexibel positionieren lassen.
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Wie in den beiden Varianten V1 und V2 in 2 gezeigt, können die unterschiedlichen Schnittstellen 201, 401 je nach Anforderung in unterschiedlichster Weise platziert werden, vorteilhafterweise an Außenseiten der Anordnung. Die gezeigten Varianten V1 und V2 sind lediglich als Beispiel zu sehen, da die Schnittstellen 201, 401 (weitestgehend) ohne Beschränkungen in x, y und z-Richtung zugänglich positionierbar sind, so dass je nach verfügbarem Bauraum und Art der Führung der Verbindungsmittel 202, 402 die optimale Verdrahtung bzw. der optimale Anschlussweg verwendet werden kann.
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Zur Herstellung einer Kontaktierung zwischen der beschriebenen modularen Antriebswechselrichter-Anordnung 100 und mindestens einer externen Vorrichtung, welche ein Gleichstrom-Anschluss 200, ein Wechselstrom-Anschluss 400, ein Fahrzeugstecker 300 oder ein Kühlmittelanschluss sein kann, werden Verbindungsmittel 202, 402 an den Schnittstellen 201, 401 befestigt, welche zur entsprechenden Kontaktierung bzw. Versorgung dienen.
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Um den verfügbaren Bauraum bestmöglich zu nutzen, können diese Verbindungsmittel 202, 402 in alle Richtungen, also x-, y- und z-Richtung im Wesentlichen frei, d.h. mit bestimmten Freiheitsgraden, angeordnet werden, wie in 2 für die beiden Varianten V1 und V2 gezeigt. Hier ist zu sehen, dass sich in Variante V1 das bzw. die Verbindungsmittel 202 zur Kontaktierung der Gleichstrom-Schnittstelle 201 mit dem Gleichstromanschluss 200 lediglich in einer Ebene sowohl in x- als auch in y-Richtung erstrecken. Ferner erstreckt sich in Variante V1 das bzw. die Verbindungsmittel 402 zur Kontaktierung der Wechselstrom-Schnittstelle 401 mit dem Wechselstromanschluss 400 in x-Richtung, in y-Richtung und z-Richtung. In Variante V2 verlaufen sowohl das bzw. die Verbindungsmittel 202 als auch das bzw. die Verbindungsmittel 402 in den Richtungen x, y, z, wobei hier zu erkennen ist, dass das bzw. die Verbindungsmittel 202 zur Kontaktierung des Gleichstromanschlusses 200 direkt nach Kontaktierung mit der Schnittstelle 202 in z-Richtung nach unten abknickt und parallel zur Außenseite der Anordnung 100 geführt wird, wodurch sehr wenig Platz neben der Anordnung 100 verglichen mit Variante V1 benötigt wird. Auch ist zu sehen, dass sowohl in Variante V1 als auch in Variante V2 der Fahrzeugstecker 300 und das bzw. die Verbindungsmittel 402 an derselben Seite der Anordnung 100 angeordnet sind, wodurch ebenfalls Platz eingespart wird. Dies ist möglich, da das bzw. die Verbindungsmittel 402 derart an die zugehörigen Schnittstellen 201, 401 angeschlossen werden können, dass sie flexibel in x-, y- und z-Richtung angeordnet und geführt werden können, da die gestapelte Anordnung der Komponenten dies zulässt.
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Außerdem kann die Leistungsskalierbarkeit sowohl klassisch durch Bestückung der Halbleitermodule bzw. Leistungsmodule 3 als auch durch Erhöhung der Anzahl der Module erreicht werden, was in 3a und 3b dargestellt ist. 3a zeigt eine Anordnung, welche auf einer Trägerplatte 101 angeordnet und als eine Einheit sechs Phasen aufweist, die aus einer Anordnung aus zweimal drei Phasen gebildet ist. Durch konstruktives oder reales Durchtrennen 600 an geeigneter Stelle (beispielsweise Durchsägen oder Durchschneiden) sind zwei einzelne, jeweils mit drei Phasen ausgestattete Anordnungen separierbar, ohne dabei die beschriebenen positiven Eigenschaften der einzelnen Anordnung einzubüßen. Das heißt auch, dass durch das Konzept eine einfache Spiegelung der 3-phasigen Variante möglich ist, um eine höhere Leistung darstellen zu können und um mehrere Module aneinander reihen zu können, diese sogar in einer einzelnen Einheit aufzubauen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Modulare Antriebswechselrichter-Anordnung
- 100a; 100b
- Gespiegelte modulare Antriebswechselrichter-Anordnung
- 1
- Kondensator
- 2
- Kühlvorrichtung
- 3
- Leistungsmodul
- 4
- Ansteuerplatine
- 200
- Externe Vorrichtung; Gleichstromanschluss
- 201
- Schnittstelle
- 202
- Verbindungsmittel
- 300
- Externe Vorrichtung; Fahrzeugstecker
- 400
- Externe Vorrichtung; Wechselstromanschluss
- 401
- Schnittstelle
- 402
- Verbindungsmittel
- 600
- Durchtrennen
