DE102021103472A1 - Switching arrangement for a multi-phase inverter - Google Patents

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Christophe Lafaye
David Bock
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Abstract

Es wird eine Schaltanordnung für einen Inverter zur Erzeugung einer N-phasigen Wechselspannung für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit N>3, beschrieben. Die Schaltanordnung umfasst eine Leiterplatte mit mehreren leitfähigen Schichten und zumindest einer dazwischenliegenden isolierenden Schicht, sowie einen auf der Leiterplatte angeordneten Anschluss für eine Gleichspannung. Des Weiteren umfasst die Schaltanordnung N, auf der Leiterplatte implementierte, Halbbrücken für die N Phasen der N-phasigen Wechselspannung, sowie N, auf der Leiterplatte angeordnete, Phasenleiter, die ausgebildet sind, die entsprechenden N Halbbrücken mit der elektrischen Antriebsmaschine zu koppeln.A switching arrangement for an inverter for generating an N-phase AC voltage for operating an electric drive machine of a motor vehicle, with N>3, is described. The switching arrangement comprises a printed circuit board with a plurality of conductive layers and at least one insulating layer lying in between, and a connection for a DC voltage arranged on the printed circuit board. Furthermore, the switching arrangement comprises N half-bridges implemented on the printed circuit board for the N phases of the N-phase AC voltage, and N phase conductors arranged on the printed circuit board, which are designed to couple the corresponding N half-bridges to the electric drive machine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für einen mehrphasigen Inverter zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine.The invention relates to a switching arrangement for a multi-phase inverter for controlling an electrical machine.

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.An at least partially electrically powered vehicle has at least one electric machine for driving the vehicle. Furthermore, the vehicle has a converter or an inverter which is set up to generate a multi-phase, in particular a three-phase, AC voltage or a multi-phase, in particular a three-phase, generate alternating current.

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.An electrical drive machine for a motor vehicle typically has an electrical output of 100 kW or more, which leads to relatively high current intensities on the individual phases of the electrical machine. This in turn leads to a relatively high installation space requirement and relatively high material costs for the converter of an electric drive machine.

Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen Bauraum- und/oder Kosten-effizienten Umrichter für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.The present document deals with the technical task of providing a space-efficient and/or cost-efficient converter for an electric drive motor of a motor vehicle.

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.The object is solved by each of the independent claims. Advantageous embodiments are described inter alia in the dependent claims. It is pointed out that additional features of a patent claim dependent on an independent patent claim without the features of the independent patent claim or only in combination with a subset of the features of the independent patent claim can form a separate invention independent of the combination of all features of the independent patent claim, which can be made the subject of an independent claim, a divisional application or a subsequent application. This applies equally to the technical teachings described in the description, which can form an invention independent of the features of the independent patent claims.

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.According to one aspect, a switching arrangement for an inverter (also referred to as a converter in this document) for generating an N-phase AC voltage for operating an electric drive machine of a motor vehicle (in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle) is described. In this case, the number N of phases of the N-phase AC voltage is greater than three. In a preferred example, N is 6 or higher. The switching arrangement can be designed to implement the inverter. In other words, the inverter can be formed by the switching arrangement.

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.The switching arrangement or the inverter (implemented by the switching arrangement) can be designed to generate the N-phase AC voltage on the basis of a DC voltage. The N-phase AC voltage can be provided to the electric drive machine via corresponding N phase conductors. The DC voltage can be provided by an electrical energy store in the motor vehicle. The switching arrangement can be designed for a DC voltage with a nominal value of 500V or more, in particular 800V or more. Alternatively or additionally, the switching arrangement can be designed to provide the electrical drive machine with an electrical output of 100 kW or more via the N phase conductors.

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. The switching arrangement comprises a printed circuit board with a plurality of conductive layers (full-surface) and at least one insulating layer lying in between. In this case, the printed circuit board can preferably be an FR-4 printed circuit board. In particular, the switching arrangement can have a standard printed circuit board.

Dies wird insbesondere durch die Verwendung von N>3 Phasen zur Abdeckung des Leistungsbedarfs der elektrischen Antriebsmaschine ermöglicht.This is made possible in particular by using N>3 phases to cover the power requirements of the electric drive machine.

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.Furthermore, the switching arrangement includes a connection for the DC voltage arranged on the printed circuit board. The switching arrangement also includes N half-bridges implemented on the printed circuit board for the N phases of the N-phase AC voltage. In addition, the switching arrangement comprises N phase conductors arranged and/or implemented on the printed circuit board, which are designed to couple the corresponding N half-bridges to the electric drive machine. The traces of the N half-bridges and/or the phase conductors can be implemented by one or more conductive layers of the circuit board. In other words, the conductive paths of the inverter can be efficiently formed by the conductive layers of the circuit board.

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.The switching arrangement is preferably designed in such a way that the currents on the N phase conductors are each limited to a maximum current intensity of 100A. This is made possible in particular by the fact that N> 3 phases to cover the Power requirements of the electric drive machine are provided. In turn, the current limitation allows for an efficient implementation of the inverter using a standard and/or FR-4 printed circuit board.

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. In a preferred example, N is an even number (especially N=6). The switching arrangement can be constructed symmetrically in such a way that half of the phase conductors are arranged on a first edge and the other half of the phase conductors are arranged on an opposite, second edge of the printed circuit board. In particular, the switching arrangement can have a line of symmetry running centrally between the first and the second edge of the printed circuit board. The switching arrangement can be mirror-symmetrical with respect to this line of symmetry. In this way, electrical properties of the switching arrangement (in particular with regard to electromagnetic compatibility, EMC) can be further improved. Furthermore, a particularly efficient production of the switching arrangement can be made possible in this way.

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.The switching arrangement can have switching elements for the N half-bridges arranged on the printed circuit board as discrete components, in particular as THT (Through Hole Technology) components. Alternatively or additionally, the switching arrangement can have intermediate circuit capacitors arranged on the printed circuit board as discrete components, in particular as THT components, which are arranged between the connection for the DC voltage and the N half-bridges. A particularly cost-efficient switching arrangement can be provided through the use of discrete components.

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.According to a further aspect, an electric drive unit for a motor vehicle is described. The drive unit includes an electric drive machine which is designed to drive the motor vehicle, e.g. a wheel and/or an axle of the motor vehicle. Furthermore, the drive unit includes an inverter, which is designed to generate an N-phase AC voltage for the operation of the electric drive machine on the basis of a DC voltage. The inverter can include the switching arrangement described in this document or can be implemented by means of the switching arrangement described in this document.

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.The inverter may be arranged on an end face of the prime mover. In this case, the end face can run perpendicularly to the shaft of the drive machine. The inverter can preferably be integrated in a cover of a housing of the drive machine. In particular, the cover of the housing can serve as a support for the inverter. In this way, a particularly space-efficient drive unit can be provided.

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. According to a further aspect, a (road) motor vehicle (in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle) is described which comprises the drive unit described in this document.

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.It should be noted that the devices and systems described in this document can be used both alone and in combination with other devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the devices and systems described in this document can be combined with one another in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined with one another in many different ways.

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.
The invention is described in more detail below using exemplary embodiments. show it
  • 1 an example vehicle with an electric prime mover;
  • 2 an exemplary drive unit with a converter and an electric machine;
  • 3 a side view of an exemplary drive unit;
  • 4a a plan view of an exemplary switching arrangement for a converter; and
  • 4b different layers of a printed circuit board for the switching arrangement 4a .

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.As explained at the beginning, the present document deals with the efficient control of an electric drive machine of a motor vehicle. In this context shows 1 an exemplary vehicle 100 with an electrical energy store 101 (eg a lithium-ion based store) which is set up to store electrical energy for the operation of an electric drive machine 103 of the vehicle 100 . The rated voltage of the energy store 101 can be 300V or higher, in particular 800V or higher. The vehicle 100 also includes a converter or inverter 102 which is set up to generate a multi-phase AC voltage for the operation of the electric drive machine 103 on the basis of a DC voltage provided by the electrical energy store 101 .

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.The use of a three-phase AC voltage typically results in the individual phases of the converter 102 for a current strength of more than 100A must be designed, which leads to relatively high material costs and relatively high installation space requirements for the converter 102. 2 1 shows a drive unit 200 with a six-phase converter 102 which is set up to generate a six-phase AC voltage on the basis of the DC voltage 201 from the energy store 101. By increasing the number of phases with which the electric drive machine 103 is operated, the current intensity on the individual phase lines 207 can be reduced (with the electric power of the drive machine 103 remaining the same), in particular limited to a maximum of 100A. In this way, the requirements for the structure of the converter 102 can be reduced. In particular, it can be made possible in this way to implement the converter 102 on a standard printed circuit board, for example on an FR-4 printed circuit board.

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.the inside 2 The converter 102 shown comprises six half-bridges 205 with switching elements 206, the half-bridges 205 each being arranged in parallel with the direct voltage 201. One phase of the six-phase AC voltage can be provided at the midpoints of the individual half-bridges 205 in each case. The individual centers can be connected to different stator coils 204 of the stator 203 of the electric drive machine 103 .

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. 3 shows an exemplary drive unit 200 in a side view, with the shaft of the electric drive machine 103 parallel to the 3 axis 304 shown runs. A gear 303 can be arranged on a first end face of the drive machine 103 . The converter 102 can be arranged on the opposite second end face of the drive machine 103 . The DC connection 302 for the DC voltage 201 can be arranged on the first end face and can be coupled to the converter 102 on the second end face via a DC filter unit 301 . By arranging the converter 102 in this way, the installation space required for the drive unit 200 can be reduced.

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. 4a shows an exemplary switching arrangement 400 for a six-phase converter 102. The switching arrangement 400 includes a printed circuit board 405 on which different components of the converter 102 are arranged. Due to the current limitation of each phase of the inverter 102 (to a maximum of 100A), a standard circuit board (eg, an FR-4 circuit board) can be used. The printed circuit board 405 can, as in 4b shown, have two conductive (copper) layers 411, 413 and an insulating layer 412 therebetween.

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.Connections 401 for the DC voltage 201 can be arranged on the printed circuit board 405 . Furthermore, a capacitor 402, the switching elements 206 of the half-bridge 205 and a phase conductor 207 can be arranged on the circuit board 405 for each individual phase.

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.A symmetrical, low-inductance 6-phase inverter 102 integrated into the electric machine cover is thus described, with the inverter 102 preferably having discrete semiconductor switching elements 206 and capacitors 402 . By integrating the inverter 102 in a cover of the electrical machine 103, the cover can be used as a carrier for the inverter 102 in a space-efficient manner.

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.By using six phases and the resulting current distribution, the current per phase can be reduced. This allows for the use of discrete semiconductor switching elements 206 and discrete capacitors 402, thereby reducing the cost of inverter 102.

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.The semiconductor switching elements 206 can be sintered, soldered and/or glued and the power connections 207 can be implemented by laser welding or by plug-in systems. Screws, service flaps and/or seals can thus be dispensed with in an efficient manner, in particular in order to reduce the assembly time of a drive unit 200 .

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.The lateral integration of the inverter 102 in the cover of the electrical machine 103 frees up the installation space on one (e.g. the upper) side of the electrical machine 103, so that the installation space of the drive unit 200 can be reduced. Furthermore, a particularly compact current flow can be made possible by a lateral 6-phase connection 207 between the electrical machine 103 and the inverter 102, which enables a reduced inductance and a reduced installation space.

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.Limiting the currents on the individual phases to 100A enables the particularly cost-efficient use of an FR-4 printed circuit board 405 with copper layers 411, 413 as current transport. The DC power copper layers and/or the AC power paths and/or the separation plane 412 (possibly all) can be integrated in a (FR-4) printed circuit board (PCB) 405 . Discrete capacitors 402 for the intermediate circuit and/or Y or Interference suppression capacitors as an EMC measure can be implemented as THT components.

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.The present invention is not limited to the exemplary embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and the figures are only intended to illustrate the principle of the proposed devices and systems by way of example.

Claims (10)

Schaltanordnung (400) für einen Inverter (103) zur Erzeugung einer N-phasigen Wechselspannung für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine (103) eines Kraftfahrzeugs (100), mit N>3; wobei die Schaltanordnung (400) umfasst, - eine Leiterplatte (405) mit mehreren leitfähigen Schichten (411, 413) und zumindest einer dazwischenliegenden isolierenden Schicht (412); - einen auf der Leiterplatte (405) angeordneten Anschluss (401) für eine Gleichspannung (201); - N, auf der Leiterplatte (405) implementierte, Halbbrücken (205) für die N Phasen der N-phasigen Wechselspannung; und - N, auf der Leiterplatte (405) angeordnete, Phasenleiter (207), die ausgebildet sind, die entsprechenden N Halbbrücken (205) mit der elektrischen Antriebsmaschine (103) zu koppeln.Switching arrangement (400) for an inverter (103) for generating an N-phase AC voltage for operating an electric drive machine (103) of a motor vehicle (100), with N>3; wherein the switching arrangement (400) comprises, - A circuit board (405) with a plurality of conductive layers (411, 413) and at least one intermediate insulating layer (412); - A connection (401) arranged on the printed circuit board (405) for a DC voltage (201); - N half-bridges (205) implemented on the circuit board (405) for the N phases of the N-phase AC voltage; and - N phase conductors (207) arranged on the printed circuit board (405) which are designed to couple the corresponding N half-bridges (205) to the electric drive machine (103). Schaltanordnung (400) gemäß Anspruch 1, wobei die Schaltanordnung (400) derart ausgebildet ist, dass die Ströme auf den N Phasenleitern (207) jeweils auf eine maximale Stromstärke von 100A begrenzt sind.Switching arrangement (400) according to claim 1 , wherein the switching arrangement (400) is designed such that the currents on the N phase conductors (207) are each limited to a maximum current of 100A. Schaltanordnung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei N gleich 6 oder höher ist.Switching arrangement (400) according to one of the preceding claims, wherein N is equal to 6 or higher. Schaltanordnung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Leiterplatte (405) eine FR-4 Leiterplatte ist; und/oder - die leitfähigen Schichten (411, 413) der Leiterplatte (405) vollflächig ausgebildet sind.Switching arrangement (400) according to any one of the preceding claims, wherein - the printed circuit board (405) is an FR-4 printed circuit board; and or - The conductive layers (411, 413) of the circuit board (405) are formed over the entire surface. Schaltanordnung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - N eine gerade Zahl ist; und - die Schaltanordnung (400) derart symmetrisch aufgebaut ist, dass eine Hälfte der Phasenleiter (207) an einer ersten Kante und die andere Hälfte der Phasenleiter (207) an einer gegenüberliegenden zweiten Kante der Leiterplatte (405) angeordnet sind; und/oder - die Schaltanordnung (400) eine mittig zwischen der ersten und der zweiten Kante der Leiterplatte (405) verlaufende Symmetrielinie aufweist.Switching arrangement (400) according to any one of the preceding claims, wherein - N is an even number; and - The switching arrangement (400) is constructed symmetrically such that one half of the phase conductors (207) are arranged on a first edge and the other half of the phase conductors (207) on an opposite second edge of the printed circuit board (405); and or - The switching arrangement (400) has a line of symmetry running centrally between the first and the second edge of the printed circuit board (405). Schaltanordnung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Schaltanordnung (400) für eine Gleichspannung (201) mit einem Nennwert von 500V oder mehr, insbesondere von 800V oder mehr, ausgebildet ist; und/oder - die Schaltanordnung (400) ausgebildet ist, der elektrischen Antriebsmaschine (103) über die N Phasenleiter (207) eine elektrische Leistung von 100kW oder mehr bereitzustellen.Switching arrangement (400) according to any one of the preceding claims, wherein - the switching arrangement (400) is designed for a DC voltage (201) with a nominal value of 500V or more, in particular 800V or more; and or - The switching arrangement (400) is designed to provide electrical power of 100 kW or more to the electric drive machine (103) via the N phase conductors (207). Schaltanordnung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltanordnung (400) umfasst, - als diskrete Bauelemente, insbesondere als THT Bauelemente, auf der Leiterplatte (405) angeordnete Schaltelemente (206) für die N Halbbrücken (205); und/oder - als diskrete Bauelemente, insbesondere als THT Bauelemente, auf der Leiterplatte (405) angeordnete Zwischenkreis- Kondensatoren (402), die zwischen dem Anschluss (401) für die Gleichspannung (201) und den N Halbbrücken (205) angeordnet sind.Switching arrangement (400) according to one of the preceding claims, wherein the switching arrangement (400) comprises, - switching elements (206) for the N half-bridges (205) arranged as discrete components, in particular as THT components, on the printed circuit board (405); and or - Intermediate circuit capacitors (402) arranged as discrete components, in particular as THT components, on the printed circuit board (405), which are arranged between the connection (401) for the DC voltage (201) and the N half-bridges (205). Elektrische Antriebseinheit (200) für ein Kraftfahrzeug (100); wobei die Antriebseinheit (200) umfasst, - eine elektrische Antriebsmaschine (103), die ausgebildet ist, das Kraftahrzeug (100) anzutreiben; und - einen an einer Stirnfläche der Antriebsmaschine (103) angeordneten Inverter (102), der ausgebildet ist, auf Basis einer Gleichspannung (201) eine N-phasige Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine (103) zu erzeugen; wobei die Stirnfläche senkrecht zu einer Welle der Antriebsmaschine (103) verläuft.Electric drive unit (200) for a motor vehicle (100); wherein the drive unit (200) comprises, - An electric drive machine (103), which is designed to drive the motor vehicle (100); and - An inverter (102) arranged on an end face of the drive machine (103), which is designed to generate an N-phase AC voltage for the operation of the electric drive machine (103) on the basis of a DC voltage (201); wherein the end face is perpendicular to a shaft of the prime mover (103). Elektrische Antriebseinheit (200) gemäß Anspruch 8, wobei - die elektrische Antriebsmaschine (103) ein Gehäuse aufweist; und - der Inverter (102) in einem Deckel des Gehäuses integriert ist; und/oder - der Deckel des Gehäuses als Träger für den Inverter (102) dient.Electric drive unit (200) according to claim 8 , wherein - the electric drive machine (103) has a housing; and - the inverter (102) is integrated in a cover of the housing; and/or - the cover of the housing serves as a support for the inverter (102). Elektrische Antriebseinheit (200) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei der Inverter (103) die Schaltanordnung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.Electric drive unit (200) according to one of Claims 8 until 9 , wherein the inverter (103) the switching arrangement (400) according to one of Claims 1 until 7 includes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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