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Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für einen mehrphasigen Inverter zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine.
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Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug weist zumindest eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs auf. Des Weiteren weist das Fahrzeug einen Umrichter bzw. einen Inverter auf, der eingerichtet ist, auf Basis einer Gleichspannung bzw. auf Basis eines Gleichstroms aus einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs eine mehrphasige, insbesondere eine dreiphasige, Wechselspannung bzw. einen mehrphasigen, insbesondere einen dreiphasigen, Wechselstrom zu generieren.
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Eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug weist typischerweise eine elektrische Leistung von 100kW oder mehr auf, was zu relativ hohen Stromstärken auf den einzelnen Phasen der elektrischen Maschine führt. Dies führt wiederum zu einen relativ hohen Bauraumbedarf und zu relativ hohen Materialkosten für den Umrichter einer elektrischen Antriebsmaschine.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen Bauraum- und/oder Kosten-effizienten Umrichter für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch jeden einzelnen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Schaltanordnung für einen Inverter (in diesem Dokument auch als Umrichter bezeichnet) zur Erzeugung einer N-phasigen Wechselspannung für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs (insbesondere eines Personenkraftwagens oder eines Lastwagens oder eines Busses oder eines Motorrads) beschrieben. Dabei ist die Anzahl N von Phasen der N-phasigen Wechselspannung größer als drei. In einem bevorzugten Beispiel ist N gleich 6 oder höher. Die Schaltanordnung kann ausgebildet sein, den Inverter zu implementieren. Mit anderen Worten, der Inverter kann durch die Schaltanordnung gebildet werden.
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Die Schaltanordnung bzw. der (durch die Schaltanordnung implementierte) Inverter können ausgebildet sein, die N-phasige Wechselspannung auf Basis einer Gleichspannung zu erzeugen. Die N-phasige Wechselspannung kann der elektrischen Antriebsmaschine über entsprechende N Phasenleiter bereitgestellt werden. Die Gleichspannung kann durch einen elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. Die Schaltanordnung kann für eine Gleichspannung mit einem Nennwert von 500V oder mehr, insbesondere von 800V oder mehr, ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Schaltanordnung ausgebildet sein, der elektrischen Antriebsmaschine über die N Phasenleiter eine elektrische Leistung von 100kW oder mehr bereitzustellen.
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Die Schaltanordnung umfasst eine Leiterplatte mit mehreren (vollflächigen) leitfähigen Schichten und zumindest einer dazwischenliegenden isolierenden Schicht. Dabei kann die Leiterplatte bevorzugt eine FR-4 Leiterplatte sein. Insbesondere kann die Schaltanordnung eine Standard-Leiterplatte aufweisen.
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Dies wird insbesondere durch die Verwendung von N>3 Phasen zur Abdeckung des Leistungsbedarfs der elektrischen Antriebsmaschine ermöglicht.
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Des Weiteren umfasst die Schaltanordnung einen auf der Leiterplatte angeordneten Anschluss für die Gleichspannung. Die Schaltanordnung umfasst ferner N, auf der Leiterplatte implementierte, Halbbrücken für die N Phasen der N-phasigen Wechselspannung. Außerdem umfasst die Schaltanordnung N, auf der Leiterplatte angeordnete und/oder implementierte, Phasenleiter, die ausgebildet sind, die entsprechenden N Halbbrücken mit der elektrischen Antriebsmaschine zu koppeln. Die Leiterbahnen der N Halbbrücken und/oder der Phasenleiter können durch ein oder mehrere leitfähige Schichten der Leiterplatte implementiert sein. Mit anderen Worten, die Leiterbahnen des Inverters können in effizienter Weise durch die leitfähigen Schichten der Leiterplatte gebildet werden.
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Die Schaltanordnung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die Ströme auf den N Phasenleitern jeweils auf eine maximale Stromstärke von 100A begrenzt sind. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass N>3 Phasen zur Abdeckung des Leistungsbedarfs der elektrischen Antriebsmaschine bereitgestellt werden. Die Begrenzung der Stromstärke ermöglicht wiederum eine effiziente Implementierung des Inverters mittels einer Standard- und/oder FR-4 Leiterplatte.
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In einem bevorzugten Beispiel ist N eine gerade Zahl (insbesondere N=6). Die Schaltanordnung kann derart symmetrisch aufgebaut sein, dass eine Hälfte der Phasenleiter an einer ersten Kante und die andere Hälfte der Phasenleiter an einer gegenüberliegenden zweiten Kante der Leiterplatte angeordnet sind. Insbesondere kann die Schaltanordnung eine mittig zwischen der ersten und der zweiten Kante der Leiterplatte verlaufende Symmetrielinie aufweisen. Die Schaltanordnung kann spiegelsymmetrisch in Bezug auf diese Symmetrielinie sein. So können elektrische Eigenschaften der Schaltanordnung (insbesondere in Bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit, EMV) weiter verbessert werden. Ferner kann so eine besonders effiziente Herstellung der Schaltanordnung ermöglicht werden.
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Die Schaltanordnung kann als diskrete Bauelemente, insbesondere als THT (Through Hole Technology) Bauelemente, auf der Leiterplatte angeordnete Schaltelemente für die N Halbbrücken aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die Schaltanordnung als diskrete Bauelemente, insbesondere als THT Bauelemente, auf der Leiterplatte angeordnete Zwischenkreis- Kondensatoren aufweisen, die zwischen dem Anschluss für die Gleichspannung und den N Halbbrücken angeordnet sind. Durch die Verwendung von diskreten Bauelementen kann eine besonders kosteneffiziente Schaltanordnung bereitgestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Die Antriebseinheit umfasst eine elektrische Antriebsmaschine, die ausgebildet ist, das Kraftahrzeug, z.B. ein Rad und/oder eine Achse des Kraftfahrzeugs, anzutreiben. Des Weiteren umfasst die Antriebseinheit einen Inverter, der ausgebildet ist, auf Basis einer Gleichspannung eine N-phasige Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine zu erzeugen. Der Inverter kann die in diesem Dokument beschriebene Schaltanordnung umfassen bzw. mittels der in diesem Dokument beschriebenen Schaltanordnung implementiert sein.
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Der Inverter kann an einer Stirnfläche der Antriebsmaschine angeordnet sein. Dabei kann die Stirnfläche senkrecht zu der Welle der Antriebsmaschine verlaufen. Bevorzugt kann der Inverter in einem Deckel eines Gehäuses der Antriebsmaschine integriert sein. Insbesondere kann der Deckel des Gehäuses als Träger für den Inverter dienen. So kann eine besonders bauraumeffiziente Antriebseinheit bereitgestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-)Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Antriebseinheit umfasst.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 ein beispielhaftes Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebsmaschine;
- 2 eine beispielhafte Antriebseinheit mit einem Umrichter und einer elektrischen Maschine;
- 3 eine Seitenansicht einer beispielhaften Antriebseinheit;
- 4a eine Draufsicht auf eine beispielhafte Schaltanordnung für einen Umrichter; und
- 4b unterschiedliche Schichten einer Leiterplatte für die Schaltanordnung aus 4a.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten Ansteuerung einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein beispielhaftes Fahrzeug 100 mit einem elektrischen Energiespeicher 101 (z.B. einem Lithium-Ionen basierten Speicher), der eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine 103 des Fahrzeugs 100 zu speichern. Die Nennspannung des Energiespeichers 101 kann bei 300V oder höher, insbesondere bei 800V oder höher, liegen. Das Fahrzeug 100 umfasst ferner einen Umrichter bzw. Inverter 102, der eingerichtet ist, auf Basis einer von dem elektrischen Energiespeicher 101 bereitgestellten Gleichspannung eine mehrphasige Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine 103 zu generieren.
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Die Verwendung einer dreiphasigen Wechselspannung führt typischerweise dazu, dass die einzelnen Phasen des Umrichters 102 für eine Stromstärke von mehr als 100A ausgelegt sein müssen, was zu relativ hohen Materialkosten und zu relativ hohen Bauraumanforderungen für den Umrichter 102 führt. 2 zeigt eine Antriebseinheit 200 mit einem sechsphasigen Umrichter 102, der eingerichtet ist, auf Basis der Gleichspannung 201 aus dem Energiespeicher 101 eine sechsphasige Wechselspannung zu generieren. Durch die Erhöhung der Anzahl der Phasen, mit denen die elektrische Antriebsmaschine 103 betrieben wird, kann (bei gleichbleibender elektrischer Leistung der Antriebsmaschine 103) die Stromstärke auf den einzelnen Phasenleitungen 207 reduziert werden, insbesondere auf höchstens 100A begrenzt werden. So können die Anforderungen an den Aufbau des Umrichters 102 reduziert werden. Insbesondere kann es so ermöglicht werden, den Umrichter 102 auf einer Standard-Leiterplatte, etwa auf einer FR-4 Leiterplatte, zu implementieren.
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Der in 2 dargestellte Umrichter 102 umfasst sechs Halbbrücken 205 mit Schaltelementen 206, wobei die Halbbrücken 205 jeweils parallel zu der Gleichspannung 201 angeordnet sind. An den Mittelpunkten der einzelnen Halbbrücken 205 kann jeweils eine Phase der sechsphasigen Wechselspannung bereitgestellt werden. Die einzelnen Mittelpunkte können mit unterschiedlichen Statorspulen 204 des Stators 203 der elektrischen Antriebsmaschine 103 verbunden werden.
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3 zeigt eine beispielhafte Antriebseinheit 200 in einer Seitenansicht, wobei die Welle der elektrischen Antriebsmaschine 103 parallel zu der in 3 dargestellten Achse 304 verläuft. An einer ersten Stirnfläche der Antriebsmaschine 103 kann ein Getriebe 303 angeordnet sein. Der Umrichter 102 kann an der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche der Antriebsmaschine 103 angeordnet sein. Der DC-Anschluss 302 für die Gleichspannung 201 kann an der ersten Stirnfläche angeordnet sein, und über eine DC-Filtereinheit 301 mit dem Umrichter 102 an der zweiten Stirnfläche gekoppelt sein. Durch eine derartige Anordnung des Umrichters 102 kann der erforderliche Bauraum der Antriebseinheit 200 reduziert werden.
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4a zeigt eine beispielhafte Schaltanordnung 400 für einen sechsphasigen Umrichter 102. Die Schaltanordnung 400 umfasst eine Leiterplatte 405, auf der unterschiedliche Komponenten des Umrichters 102 angeordnet sind. Aufgrund der begrenzten Stromstärke der einzelnen Phasen des Umrichters 102 (auf höchstens 100A) kann eine Standard-Leiterplatte (z.B. eine FR-4 Leiterplatte) verwendet werden. Die Leiterplatte 405 kann, wie in 4b dargestellt, zwei leitende (Kupfer-) Schichten 411, 413 und eine dazwischenliegende Isolationsschicht 412 aufweisen.
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Auf der Leiterplatte 405 können Anschlüsse 401 für die Gleichspannung 201 angeordnet sein. Ferner können für jede einzelne Phase jeweils ein Kondensator 402, die Schaltelemente 206 der Halbbrücke 205 und ein Phasenleiter 207 auf der Leiterplatte 405 angeordnet sein.
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Es wird somit ein symmetrischer, niederinduktiver und/oder E-Maschinendeckel integrierter 6-phasiger Inverter 102 beschrieben, wobei der Inverter 102 bevorzugt diskrete Halbleiter-Schaltelemente 206 und Kondensatoren 402 aufweist. Durch die Integration des Inverters 102 in einen Deckel der elektrischen Maschine 103 kann der Deckel in bauraumeffizienter Weise als Träger für den Inverter 102 verwendet werden.
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Durch die Verwendung von sechs Phasen und durch die resultierende Stromverteilung kann der Strom pro Phase reduziert werden. Dies ermöglicht die Verwendung von diskreten Halbleiter-Schaltelementen 206 und von diskreten Kondensatoren 402, wodurch die Kosten des Inverters 102 reduziert werden können.
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Die Halbleiter-Schaltelemente 206 können gesintert, gelötet und/oder geklebt werden und die Stromverbindungen 207 können durch Laserschweißen oder durch Stecksysteme realisiert werden. So kann in effizienter Weise auf Schrauben, Serviceklappen und/oder Dichtungen verzichtet werden, insbesondere um die Montagezeit einer Antriebseinheit 200 zu reduzieren.
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Die seitliche Integration des Inverters 102 in den Deckel der elektrischen Maschine 103 gibt den Bauraum an einer (z.B. der oberen) Seite der elektrischen Maschine 103 frei, so dass der Bauraum der Antriebseinheit 200 reduziert werden kann. Ferner kann durch eine seitliche 6-phasige Verbindung 207 zwischen der elektrischen Maschine 103 und dem Inverter 102 ein besonders kompakter Stromverlauf ermöglicht werden, was eine reduzierte Induktivität und einen reduzierten Bauraum ermöglicht.
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Durch die Begrenzung der Ströme auf den einzelnen Phasen auf 100A wird die besonders kosteneffiziente Verwendung einer FR-4 Leiterplatte 405 mit KupferSchichten 411, 413 als Stromtransport ermöglicht. Die DC-Strom Kupferschichten und/oder die AC-Strombahnen und/oder die Trennebene 412 können (ggf. alle) in einer (FR-4) Leiterplatte (Printed Circuit Board) 405 integriert sein. Diskrete Kondensatoren 402 für den Zwischenkreis und/oder Y-bzw. Entstör-Kondensatoren als EMV-Maßnahme können als THT Bauelemente implementiert sein.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
