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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiteranordnung für einen elektrischen Zwischenkreis. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Leiteranordnung in einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug.
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Ein elektrisch antreibbares Fahrzeug umfasst einen elektrischen Energiespeicher und einen elektrischen Antriebsmotor. Der Energiespeicher ist üblicherweise in Form einer Batterie oder eines Akkumulators realisiert und dazu eingerichtet, eine Gleichspannung bereitzustellen. Der Antriebsmotor kann als mehrphasige elektrische Maschine aufgebaut sein, beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine (PSM). Ein Stromrichter ist dazu eingerichtet, auf der Basis der Gleichspannung des Energiespeichers eine oder mehrere Wechselspannungen für den Antriebsmotor bereitzustellen. Spannungen und/oder Frequenzen der Wechselspannungen können so gesteuert werden, dass der Antriebsmotor eine vorbestimmte Drehzahl einnimmt und/oder ein vorbestimmtes Drehmoment bereitstellt.
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Zwischen dem Energiespeicher und dem Stromrichter liegt ein elektrischer Zwischenkreis. Um eine sich über die Zeit ändernd Energieentnahme des Stromrichters aus dem Energiespeicher auszugleichen umfasst der Zwischenkreis üblicherweise ein elektrisches Speicherelement, meist in Form einer Drossel oder eines Kondensators. Das Speicherelement muss signifikante Ströme unterschiedlicher Frequenzen aufnehmen beziehungsweise abgeben, wobei elektromagnetische Strahlung abgegeben werden kann, die eine andere Einrichtung an Bord des Fahrzeugs, beispielsweise den Stromrichter, stören kann. Eine Zuleitung zum Speicherelement erfolgt üblicherweise in Form einer Stromschiene, die als Blech ausgebildet sein kann. Im Betrieb kann sich die Stromschiene aufgrund des durch sie fließenden Stroms erwärmen, sodass sie gekühlt werden muss.
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Es wurde vorgeschlagen, eine elektromagnetische Verträglichkeit des Zwischenkreises zu erhöhen, indem Stromschienen, die unterschiedliche Potentiale tragen, aufeinander gestapelt werden. Die unterste Stromschiene kann auf einem Kühlelement angebracht werden. Eine elektrische Isolation der Stromschienen untereinander erfolgt üblicherweise mittels Isolierpapier oder einer Beschichtung aus Lack oder einem Pulver, das nach seiner Aufbringung thermisch zu einer Beschichtung vernetzt wird. Eine derartige elektrische Isolation hat jedoch häufig eine schlechte thermische Leitfähigkeit. Außerdem ist bei einem solchen Aufbau nicht sichergestellt, dass zwischen den Stromschienen keine Luftblasen eingeschlossen werden, die eine thermische Übertragung behindern können. Die dem Kühlelement abgewandte Stromschiene dann daher nicht ausreichend gekühlt werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer verbesserten Technik zur Energieübertragung in einem elektrischen Zwischenkreis für ein Fahrzeug. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Leiteranordnung für einen elektrischen Zwischenkreis in einem Fahrzeug eine obere Stromschiene; eine untere Stromschiene; ein unteres Wärmeleitelement zur thermischen Anbindung der unteren Stromschiene an ein Kühlelement; und ein oberes Wärmeleitelement zur thermischen Anbindung der oberen Stromschiene an die untere Stromschiene.
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Durch das obere Wärmeleitelement kann eine thermische Anbindung der oberen Stromschiene an die untere signifikant verbessert sein. Einer thermische Überlastung der oberen Stromschiene kann dadurch entgegengewirkt werden. Wenigstens eine der Stromschienen kann kleiner dimensioniert werden, sodass Abmessungen oder ein Gewicht des Zwischenkreises reduziert sein können.
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Das Wärmeleitelement umfasst bevorzugt ein TIM (Thermal Interface Material). Das TIM kann beispielsweise eine thermische Leitpaste, ein thermisches Leitgel, einen thermischen Klebstoff, einen nicht adhäsiven thermischen Füller, ein thermisches Pad als Feststoff, ein Phasenänderungsmaterial (phase change material, PCM) wie Indium, ein metallisches TIM oder eine Graphitmatte umfassen. Ein metallisches TIM kann niedrigviskos sein und beispielsweise eine Legierung mit Gallium, Indium und Zinn umfassen. Das Wärmeleitelement ist dazu eingerichtet, sich an eine Oberfläche einer Stromschiene oder des Kühlelements anzuschmiegen und einen geringen thermischen Widerstand aufzuweisen. Die Dicke des Wärmeleitelements kann zur Verbesserung der Wärmeleitung gering gewählt sein, beispielsweise unter 1 mm.
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Das obere Wärmeleitelement kann blasenfrei an der oberen und/oder der unteren Stromschiene anliegen. Außerdem weist das Wärmeleitelement selbst bevorzugt keine Lufteinschlüsse auf. So kann ein Wärmewiderstand zwischen den Stromschienen gering gehalten sein. Außerdem kann der Wärmewiderstand über die Fläche der Stromschienen konstant sein. Der Wärmewiderstand kann genau bekannt sein, sodass der Zwischenkreis beziehungsweise die Leiteranordnung verbessert mit geringeren Sicherheitsmargen konzipiert werden kann.
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Das untere Wärmeleitelement liegt bevorzugt blasenfrei an der unteren Stromschiene an. Weiter bevorzugt ist das untere Wärmeleitelement dazu eingerichtet, blasenfrei an dem Kühlelement anzuliegen. So kann auch an dieser Stelle ein guter, konstanter und/oder bekannter Wärmeübergang erstellt werden.
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Eines der Wärmeleitelemente kann elektrisch isolierend sein, wobei es an einer elektrisch leitfähigen Oberfläche einer der Stromschienen anliegen kann. Eine zusätzliche Schicht oder ein Element zur elektrischen Isolation der Stromschiene kann entfallen. Eine Herstellung oder Montage der Leiteranordnung kann vereinfacht sein. Das Wärmeleitelement kann dahingehend optimiert sein, dass es einen möglichst hohen spezifischen elektrischen Widerstand (Ω/m) und eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit (W/m.K) aufweist. Die Dicke des Wärmeleitelements kann so gering gewählt werden, dass ein vorbestimmter elektrischer Widerstand gerade noch erreicht wird, wodurch die thermische Leitung durch das Wärmeleitelement optimiert sein kann.
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Eine elektrische Isolation zwischen der oberen und der unteren Stromschiene kann auf diese Weise mittels des oberen Wärmeleitelements bewirkt werden. Eine nicht an ein Wärmeleitelement angrenzende elektrisch leitfähige Oberfläche einer der Stromschienen kann auf konventionelle Weise elektrisch isoliert werden, beispielsweise mittels eines Kunststoffs, einer Beschichtung oder eines Isolationspapiers. Eine elektrische Isolation zwischen der unteren Stromschiene und dem Kühlelement kann mittels des unteren Wärmeleitelements bewirkt werden.
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Die Stromschienen und die Wärmeleitelemente können jeweils im Wesentlichen konstante Dicken aufweisen. Beispielsweise können die Stromschienen jeweils als Bleche ausgebildet sein und die Wärmeleitelemente können einem Verlauf der Bleche folgen. Die Wärmeleitelemente und die Stromschienen können einen Stapel bilden, dessen Aufbau dem eines Sandwiches ähnelt. Der Stapel kann im Wesentlichen konstante Dicke aufweisen. Elemente des Stapels können im Wesentlichen gleiche Flächen einnehmen, sodass sich alle Elemente bis zu horizontalen Begrenzungen des Stapels erstrecken.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Zwischenkreis zum Einsatz in einem Fahrzeug eine hierin beschriebene Leiteranordnung. Der Zwischenkreis kann elektrisch zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einem Stromrichter liegen. Der Zwischenkreis kann bei gleicher thermischer Belastbarkeit kleiner und leichter als ein bekannter Zwischenkreis dimensioniert sein. Alternativ kann ein gleich groß oder schwer dimensionierter Zwischenkreis thermisch höher belastbar als ein bekannter Zwischenkreis sein.
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Der Zwischenkreis kann einen elektrisch mit den Stromschienen verbundenen Kondensator umfassen. Es können auch mehrere Kondensatoren vorgesehen sein, die üblicherweise elektrisch parallel zueinander geschaltet sind. Eine am Zwischenkreis anliegende Zwischenkreisspannung (ZK-Spannung) ist bevorzugt eine Gleichspannung. Der Kondensator kann dazu beitragen, die ZK-Spannung zu glätten und so eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu erhöhen. Der Zwischenkreis ist bevorzugt zur Verbindung mit einem elektrischen Energiespeicher vorgesehen, beispielsweise in Form einer Batterie oder einer Anordnung mehrerer Batterien. Außerdem ist der Zwischenkreis bevorzugt zur Verbindung mit einem Stromrichter vorgesehen. Der Stromrichter kann dazu eingerichtet sein, eine oder mehrere Wechselspannungen für einen Antriebsmotor des Fahrzeugs bereitzustellen.
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Nach noch einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug einen hierin beschriebenen Zwischenkreis.
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Daneben betrifft die Erfindung einen Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, für ein Kraftfahrzeug mit einer Leiteranordnung und/oder einem Zwischenkreis. Der Stromrichter zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiteranordnung und/oder der Zwischenkreis wie beschrieben ausgebildet ist.
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Daneben betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und einem Stromrichter. Der elektrischen Achsantrieb zeichnet sich dadurch aus, dass der Stromrichter wie beschrieben ausgebildet ist.
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Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Leiteranordnung für einen elektrischen Zwischenkreis in einem Fahrzeug Schritte des Verbindens einer oberen Stromschiene und einer unteren Stromschiene mittels eines oberen Wärmeleitelements; und des Verbindens der unteren Stromschiene und eines Kühlelements mittels eines unteren Wärmeleitelements.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Fahrzeug mit einem Antriebssystem;
- 2 eine Leiteranordnung für einen Zwischenkreis; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens
darstellt.
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1 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einem Antriebssystem 105. Das Antriebssystem 105 umfasst einen Energiespeicher 110, der mittels eines Zwischenkreises 115 an einen Stromrichter 120 geführt ist, der elektrische Energie an einen Antriebsmotor 125 bereitstellt. Der Stromrichter 120 wird durch eine Gleichspannung im Zwischenkreis 115 gespeist und stellt üblicherweise mehrere zueinander phasenverschobene Wechselspannungen an den Antriebsmotor 125 bereit. Frequenzen oder Spannungen der Wechselspannungen können beeinflusst werden, um einen gewünschten Vortrieb des Fahrzeugs 100 zu erzielen. Optional kann auch eine Rekuperation unterstützt werden, bei welcher kinetische Energie des Fahrzeugs 100 mittels des als Generator arbeitenden Antriebsmotors 125 in elektrische Energie umgesetzt wird. Die anfallende elektrische Energie kann zur Aufladung des Energiespeichers 110 oder eines Zwischenspeichers an Bord des Fahrzeugs 100 verwendet werden, aus dem später elektrische Energie für den Antriebsmotor 125 entnommen werden kann.
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Der Zwischenkreis 115 umfasst üblicherweise einen Kondensator 130, der auch Zwischenkreiskondensator (ZK-Kondensator) genannt werden kann. Zur Abführung von auftretender Wärme kann ein Kühlelement 135 vorgesehen sein. Optional führt das Kühlelement 135 auch Wärme vom Energiespeicher 110, vom Stromrichter 120 und/oder einem weiteren Element ab. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Kühlelement 135 aktiv oder passiv aufgebaut. Das Kühlelement 135 kann im Wesentlichen zur Abgabe von Wärme an eine Umgebung mittels Konvektion eingerichtet sein. Optional ist ein Lüfter vorgesehen, um die Wärme verbessert an Umgebungsluft abzugeben. Das Kühlelement 135 kann ein Zwischenmedium auf der Basis von Wasser oder Glykol verwenden, um Wärme abzutransportieren und an einer anderen Stelle an eine Umgebung abzugeben. Das Zwischenmedium kann beim Aufnehmen von Wärme seine fluide Phase ändern.
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2 zeigt eine Leiteranordnung 200 für einen Zwischenkreis 115 in einem Fahrzeug 100, insbesondere in einem Antriebssystem 105. Die Leiteranordnung 200 kann insbesondere an einem für den Rennsport vorgesehenen Fahrzeug 100 eingesetzt werden. Sie ist bevorzugt dazu eingerichtet, elektrische Energie zwischen dem Energiespeicher 110, dem Kondensator 130 und dem Stromrichter 120 zu transportieren. Anschlusspunkte für den Energiespeicher 110 oder den Stromrichter 120 sind in 2 nicht gezeigt; allgemein dient jedoch die Leiteranordnung 200 auch zur Überbrückung einer physischen Distanz zwischen angeschlossenen Elementen, sodass davon ausgegangen werden kann, dass zumindest eines der Elemente 110, 120 im rechten Bereich der dargestellten Leiteranordnung 200 angeschlossen sein kann.
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In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Leiteranordnung 200 eine obere Stromschiene 205 und eine untere Stromschiene 210, ferner ein oberes Wärmeleitelement 215 und ein unteres Wärmeleitelement 220. Die angegebenen Orientierungen beziehen sich in beispielhafter Weise auf das Kühlelement 135, das in der gewählten Darstellung zuunterst liegt.
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Rein beispielhaft ist der Kondensator 130 zylindrisch mit einseitig axialen, unterschiedlich langen Anschlüssen 225, 230 ausgeführt. Der Kondensator 130 kann etwa als gewickelter Folien- oder Papierkondensator ausgeführt sein. Der Kondensator 130 umfasst einen ersten Anschluss 225, der mit der oberen Stromschiene 205 verbunden werden kann, und einen zweiten Anschluss 230, der mit der unteren Stromschienen 210 verbunden werden kann. Dazu umfasst die obere Stromschiene 205 eine Aussparung zur Aufnahme und Kontaktierung des ersten Anschlusses 225 und eine weitere Aussparung zur kontaktfreien Durchführung des zweiten Anschlusses 230. Optional ist in diesem Bereich ein beispielsweise hülsenförmiges Isolationselement vorgesehen, um einen elektrischen Kontakt zwischen der oberen Stromschiene 205 und dem zweiten Anschluss 230 zu verhindern.
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Auch das obere Wärmeleitelement 215 trägt eine Aussparung zur Durchführung des zweiten Anschlusses 230. Sofern das obere Wärmeleitelement 215 elektrisch leitfähig ist, kann die Aussparung groß genug gewählt werden, um einen elektrischen Kontakt zum zweiten Anschluss 230 zu verhindern. Bei Bedarf kann auch hier ein Isolationselement vorgesehen sein. Die untere Stromschiene 210 umfasst eine Aussparung zur Aufnahme und Kontaktierung des zweiten Anschlusses 230. Weitere Aussparungen sind ebenfalls möglich, beispielsweise im oberen Wärmeleitelement 215, der unteren Stromschiene 210 oder dem unteren Wärmeleitelement 220, um einen nach unten überstehenden Abschnitt eines Anschlusses 225, 230 aufzunehmen. Dabei kann ein elektrischer Kontakt zur jeweiligen Schicht 210, 215 oder 220 zugelassen oder verhindert werden, beispielsweise durch einen entsprechend großen Durchmesser der Aussparung sowie einem optionalen Isolationselement.
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Die Wärmeleitelemente 215 und 220 umfassen bevorzugt jeweils ein TIM und liegen jeweils flächig an der oberen Stromschiene 215, der unteren Stromschiene 220 beziehungsweise dem Kühlelement 135 an. Dazu kann ein Wärmeleitelement 215, 220 in einem flüssigen, pastösen oder niedrig viskosen Zustand angebracht werden. Optional kann das Wärmeleitelement 215 anschließend verfestigt werden, beispielsweise thermisch oder chemisch. In einer anderen Ausführungsform kann ein festes Wärmeleitelement 215 angebracht werden, das insbesondere thermisch flüssig, pastös oder niedrig viskos gemacht werden kann, um sich an eine anliegende Oberfläche anzuschmiegen. Das Wärmeleitelement 215 kann danach seine Viskosität beibehalten oder wieder fest werden.
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Eine elektrische Isolation der Stromschienen 205, 210 untereinander kann realisiert werden, indem eine Isolationsschicht an der unteren Oberfläche der oberen Stromschiene 205 und/oder an der oberen Oberfläche der unteren Stromschiene 210 eingesetzt wird. Es ist besonders bevorzugt, dass das Wärmeleitelement 215 selbst elektrisch isolierend wirkt, sodass keine zusätzliche Isolationsschicht erforderlich ist. An Oberflächen, die nicht vom Wärmeleitelement 215 abgedeckt sind, kann eine Stromschiene 205, 210 auf beliebige Weise elektrisch isoliert sein, beispielsweise mittels einer Beschichtung. Eine elektrische Isolation der unteren Stromschiene 210 vom Kühlelement 135 kann in entsprechender Weise erfolgen. Sollte das Kühlelement 135 elektrisch nicht leitfähig sein, so kann auf eine elektrische Isolation an dieser Stelle auch verzichtet werden. Üblicherweise umfasst das Kühlelement 135 jedoch eine metallische Oberfläche zur Anlage des unteren Wärmeleitelements 220, die aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit von der unteren Stromschiene 220 isoliert werden soll. Es ist vorstellbar, dass die untere Stromschiene 210 mit einer Masse des Fahrzeugs 100 elektrisch verbunden ist. In diesem Fall kann auf eine elektrische Isolation zum Kühlelement 135 verzichtet werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Bereitstellung eines Zwischenkreises 115. Die dargestellten Schritte können auch in einer anderen als der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden, um eine Leiteranordnung 200 beziehungsweise einen Zwischenkreis 115 bereitzustellen und gegebenenfalls am Fahrzeug 100 anzubringen. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Zwischenkreis 115 einen Kondensator 130 umfassen soll.
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In einem Schritt 305 kann der erste Anschluss 225 des Kondensators 130 mit der oberen Stromschiene 205 elektrisch verbunden werden. Dazu kann der erste Anschluss 225 in eine Aussparung eingeführt und der zweite Anschluss 230 durch eine Aussparung in der oberen Stromschiene 205 durchgeführt werden. Das Kontaktieren kann beispielsweise mittels Pressen, Löten oder Schweißen erfolgen.
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In einem Schritt 310 kann das obere Wärmeleitelement 215 an der oberen Stromschiene 205 angebracht werden. Dazu kann der zweite Anschluss 230 des Kondensators 130 durch eine entsprechende Aussparung des Wärmeleitelements 215 geführt werden. Optional kann das obere Wärmeleitelement 215 nun thermisch mit der oberen Stromschiene 205 verbunden werden, wozu die Stromschiene 205 beispielsweise auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden kann, die bevorzugt über einer üblichen Betriebstemperatur des Zwischenkreises 115 liegt. Gleichzeitig kann das Wärmeleitelement 220 an die untere Stromschiene 210 angepresst werden, um einen möglichen Lufteinschluss zwischen den Elementen herauszudrücken.
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In einem Schritt 315 kann die untere Stromschiene 210 mit dem zweiten Anschluss 230 elektrisch verbunden werden. Dazu kann vorgegangen werden wie oben bezüglich des ersten Anschlusses 225 beschrieben ist.
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In einem Schritt 220 kann das untere Wärmeleitelement 220 an der unteren Stromschiene 210 angebracht werden. Das Wärmeleitelement 220 kann dann thermisch mit der unteren Stromschiene verbunden werden wie oben bezüglich des oberen Wärmeleitelements 215 beschrieben ist. Optional können auch beide Wärmeleitelemente 215, 220 gemeinsam thermisch mit jeweils anliegenden Oberflächen verbunden werden, beispielsweise durch gleichzeitiges Erwärmen.
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Nach dem Schritt 225 kann die Leiteranordnung 200 beziehungsweise der Zwischenkreis 115 als separat handhabbare Einheit vorliegen. Die Stromschienen 205, 210 und die Wärmeleitelemente 215, 220 können unverlierbar miteinander verbunden sein. Die Leiteranordnung 200 kann nun am Fahrzeug 100 angebracht werden, falls dies nicht bereits erfolgt ist. Der Energiespeicher 110 und/oder der Stromrichter 120 können elektrisch mit den Stromschienen 205, 210 verbunden werden.
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Außerdem kann die Leiteranordnung 200 in einem Schritt 325 am Kühlelement 135 angebracht werden. Optional kann das untere Wärmeleitelement 220 dann thermisch an das Kühlelement 135 angebunden werden. In einer weiteren Ausführungsform erfolgen alle thermischen Anbindungen erst nach der Anbringung der Leiteranordnung 200 am Kühlelement 135.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 105
- Antriebssystem
- 110
- Energiespeicher
- 115
- Zwischenkreis
- 120
- Stromrichter
- 125
- Antriebsmotor
- 130
- Kondensator
- 135
- Kühlelement
- 200
- Leiteranordnung
- 205
- obere Stromschiene
- 210
- untere Stromschiene
- 215
- oberes Wärmeleitelement
- 220
- unteres Wärmeleitelement
- 225
- erster Anschluss
- 230
- zweiter Anschluss
- 300
- Verfahren
- 305
- Obere Stromschiene kontaktieren
- 310
- oberes Wärmeleitelement anbringen
- 315
- Untere Stromschiene kontaktieren
- 320
- unteres Wärmeleitelement anbringen
- 325
- Leiteranordnung an Kühlstruktur anbringen
