DE102011003572A1

DE102011003572A1 - Pulswechselrichter mit gekühltem Shunt-Widerstand und elektrisches Antriebssystem mit Pulswechselrichter mit gekühltem Shunt-Widerstand

Info

Publication number: DE102011003572A1
Application number: DE201110003572
Authority: DE
Inventors: Shigesaka Limori; Alexander Becker; Axel Haas
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-09
Also published as: WO2012103992A3; WO2012103992A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Pulswechselrichter (2), mit einem Gehäuse (9), in welchem eine Pulswechselrichterschaltung angeordnet ist, und mindestens einem Shunt-Widerstand (7), welcher in einem Leitungsstrang der Pulswechselrichterschaltung angeordnet ist, wobei der Shunt-Widerstand (7) mit einer Innenwand des Gehäuses (9) elektrisch isolierend verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Antriebssystem (10) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einer Gleichspannungsquelle (1), einem Pulswechselrichter (2), welcher von der Gleichspannungsquelle (1) mit einer Gleichspannung versorgt wird, und einer elektrischen Maschine (5), welche mit dem Pulswechselrichter (2) verbunden ist und von dem Pulswechselrichter (2) mit einer Wechselspannung versorgt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Pulswechselrichter mit einem gekühlten Shunt-Widerstand zur Strommessung in Strom tragenden Leitungssträngen des Pulswechselrichters, sowie ein elektrisches Antriebssystem mit Pulswechselrichter mit gekühltem Shunt-Widerstand.
Stand der Technik
Für den Antrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden in der Regel elektrische Maschinen in Form von Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche in Verbindung mit Pulswechselrichtern – häufig auch als Inverter bezeichnet – betrieben werden. Die elektrischen Maschinen werden dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein Antriebsmoment, welches beim Einsatz in einem Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase, unterstützt. Im Generatorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine elektrische Energie, die in einem Energiespeicher, wie zum Beispiel einer Traktionsbatterie, gespeichert wird. Zur Stabilisierung der Batteriespannung ist ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen. Betriebsart und Leistung der elektrischen Maschine werden über den Pulswechselrichter eingestellt. Der Pulswechselrichter umfasst dabei Leistungshalbleiterschalter – im Folgenden kurz Leistungsschalter genannt –, wie beispielsweise MOSFETs (Metal Oxid Semiconductor Field-Effect Transistors, Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors, bipolare Transistoren mit isoliertem Gate) oder MCTs (MOS Controlled Thyristors, MOS-gesteuerte Thyristoren), welche über eine Steuereinheit angesteuert werden.
In Leitungssträngen des Pulswechselrichters, insbesondere in den Hochspannungszuleitungen sowie den Drei-Phasen-Ausgangsleitungen, kann es zu hohen Strömen kommen. Diese Ströme werden üblicherweise zur Ansteuerungszwecken des Pulswechselrichters mit Strommessbauteilen wie Hallsensoren überwacht. Wie in der Druckschrift US 7,778,529 B2 beschrieben, können statt Hallsensoren auch Shunt-Widerstände zur Messung der Ströme in einem Pulswechselrichter eingesetzt werden.
Aufgrund der sehr hohen Ströme, die in den Leitungssträngen des Pulswechselrichters fließen können, können sehr hohe Temperaturen entstehen. Die Leitungsstränge werden dabei normalerweise nicht separat gekühlt.
Offenbarung der Erfindung
Eine grundlegende Idee der Erfindung ist es daher, Shunt-Widerstände zur Strommessung in Leitungssträngen von Pulswechselrichtern einzusetzen, und dabei eine ausreichende Kühlung der Shunt-Widerstände gewährleisten zu können. Das Gehäuse von Pulswechselrichtern eignet sich zu diesem Zweck, da es durch einen externen Kühlmechanismus von außen gekühlt wird. Alternativ kann eine andere Kühleinrichtung eingesetzt werden, welche mit dem Shunt-Widerstand verbunden ist und selbigen über einen externen Kühlmechanismus kühlen kann.
Durch die Kühlung der zur Strommessung eingesetzten Shunt-Widerstände ist damit eine zuverlässige Strommessung möglich, ohne dass die Shunt-Widerstände durch die von den hohen Strömen verursachten hohen Temperaturen in ihrer Funktion beeinträchtigt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft somit einen Pulswechselrichter, mit einem Gehäuse, in welchem eine Pulswechselrichterschaltung angeordnet ist, und mindestens einem Shunt-Widerstand, welcher in einem Leitungsstrang der Pulswechselrichterschaltung angeordnet ist, wobei der Shunt-Widerstand mit einer Innenwand des Gehäuses elektrisch isolierend verbunden ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Pulswechselrichter einen externen Kühlmechanismus, welcher dazu ausgelegt ist, das Gehäuse zu kühlen. Über die Gehäusekühlung kann der Shunt-Widerstand vorteilhafterweise mitgekühlt werden, ohne dass die Leitungsstränge der Pulswechselrichterschaltung separat gekühlt werden müssten.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Shunt-Widerstand in einem elektrisch isolierenden Shunt-Gehäuse eingeschlossen. Dies bietet den Vorteil, dass der Shunt-Widerstand aufgrund seiner Nähe zur Gehäuseinnenwand ausreichend gegenüber dem Gehäuse isoliert ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein thermisch leitfähiges Element vorgesehen, welches das elektrisch isolierende Shunt-Gehäuse mit der Innenwand des Gehäuses thermisch leitend und elektrisch isolierend verbindet. Dies stellt gleichzeitig die Isolierung der Leitungsstränge vom Gehäuse sicher und bietet eine gute Wärmeabfuhr der durch hohe Ströme durch den Shunt-Widerstand lokal erzeugten Wärme an das gekühlte Gehäuse.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Pulswechselrichterschaltung eine Dreiphasen-Pulswechselrichterschaltung ist, und in jedem der drei Ausgangsleitungsstränge der Pulswechselrichterschaltung ist jeweils ein Shunt-Widerstand angeordnet, von denen jeder der drei Shunt-Widerstände mit einer Innenwand des Gehäuses elektrisch isolierend verbunden ist. Damit kann in vorteilhafter Weise an jedem der drei Phasenanschlüsse, welche eine elektrische Maschine an die Pulswechselrichterschaltung anschließen, ein Strom gemessen werden.
Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass in zwei der drei Ausgangsleitungsstränge der Pulswechselrichterschaltung und in einem Gleichspannungsleiterstrang der Pulswechselrichterschaltung jeweils ein Shunt-Widerstand angeordnet ist, von denen jeder der drei Shunt-Widerstände mit einer Innenwand des Gehäuses elektrisch isolierend verbunden ist.
Die Erfingung schafft auch einen Pulswechselrichter, mit einer Pulswechselrichterschaltung, mindestens einem Shunt-Widerstand, welcher in einem Leitungsstrang der Pulswechselrichterschaltung angeordnet ist, und einer Kühleinrichtung, welche durch einen Kühlmechanismus kühlbar ist, wobei der Shunt-Widerstand mit der Kühleinrichtung elektrisch isolierend verbunden ist.
Die Erfindung schafft weiterhin ein Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einer Gleichspannungsquelle, einem Pulswechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher von der Gleichspannungsquelle mit einer Gleichspannung versorgt wird, und einer elektrischen Maschine, welche mit dem Pulswechselrichter verbunden ist und von dem Pulswechselrichter mit einer Wechselspannung versorgt wird. Besonders für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge mit elektrischem Antrieb ist ein derartiges Antriebssystem vorteilhaft.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Pulswechselrichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung eines Shunt-Widerstands gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Spannungsversorgungsaufbaus 10 für eine elektrische Maschine 5. Von einer Gleichspannungsquelle 1, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, wird eine Gleichspannung für einen Pulswechselrichter 2 bereitgestellt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Gleichspannung zunächst von einem Gleichrichter hochtransformiert wird. Die Gleichspannung wird an zwei Anschlüssen 2a, 2b in den Pulswechselrichter 2 eingespeist. Über einen Zwischenkreis mit einem Ausgleichskondensator 6 wird die Gleichspannung dann an mehrere Schaltelemente in Form von Leistungsschaltern 3a–3f weitergegeben, welche mit einzelnen Phasenanschlüssen 2c, 2d, 2e der elektrischen Maschine 5 verbunden sind und die Phasenanschlüsse 2c, 2d, 2e entweder gegen ein hohes Bezugspotential oder ein niedriges Bezugspotential schalten. Der Pulswechselrichter 2 umfasst ferner weitere Leistungsbauelemente in Form von Freilaufdioden 4a–4f, die in Form einer sechspulsigen Gleichrichter-Brückenschaltung angeordnet sind. Dabei ist jeweils eine Diode 4a–4f parallel zu einem der Leistungsschalter 3a–3f angeordnet. Die Leistungsschalter 3a–3f können beispielsweise als IGBTs oder als MOSFETs ausgeführt sein. Die Dioden 4a–4f müssen dabei nicht als separates Bauteil realisiert sein, sondern können auch in die jeweiligen Leistungsschalter 3a–3f integriert sein, wie es bei Verwendung von MOSFETs zum Beispiel bereits technologisch bedingt der Fall ist. Die Leistungsschalter 3a–3f und die Dioden 4a–4f bilden hierbei eine beispielhafte Pulswechselrichterschaltung, mithilfe derer eine Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung transformiert werden kann.
Der Pulswechselrichter 2 ist in einem Gehäuse 9 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel der 1 umschließt das Gehäuse 9 dabei den Zwischenkreis mit dem Kondensator 6, die Leistungsschalter 3a–3f und die Dioden 4a–4f. Die Anschlüsse 2a–2e stellen die Verbindung des Gehäuses des Pulswechselrichters 2 nach außen her.
Weiterhin umfasst der Pulswechselrichter 2 im Inneren des Gehäuses 9 einen oder mehrere Shunt-Widerstände 7a, 7b, 7c zur Strommessung an den entsprechenden Leitersträngen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, einen Shunt-Widerstand 7a in den Gleichspannungsleitungsstrang zwischen dem Anschluss 2b und einem Anschluss des Zwischenkreises mit dem Kondensator 6 zu schalten. Der Shunt-Widerstand 7a ist dabei nahe der Innenwand des Gehäuses 9 angeordnet und steht mit dem Gehäuse 9 über eine thermisch leitfähiges Element 8a in Verbindung. Weiterhin kann der Pulswechselrichter 2 im Inneren des Gehäuses 9 weitere Shunt-Widerstände umfassen, die auf ähnliche Art und Weise wie der Shunt-Widerstand 7a angeordnet sind. Beispielhaft sind in 1 zwei weitere Shunt-Widerstände 7b, 7c gezeigt, wobei der Shunt-Widerstand 7b zwischen einem Anschluss der Leistungsschalter 3c und 3f und dem Phasenanschluss 2c in einem ersten Ausgangsleitungsstrang des Pulswechselrichters 2 und der Shunt-Widerstand 7b zwischen einem Anschluss der Leistungsschalter 3a und 3d und dem Phasenanschluss 2e in einem zweiten Ausgangsleitungsstrang des Pulswechselrichters 2 im Inneren des Gehäuses 9 angeordnet ist. Die Shunt-Widerstände 7b, 7c sind dabei über thermisch leitfähige Elemente 8b bzw. 8c mit dem Gehäuse verbunden.
Es kann in einer alternativen Ausführungsform auch möglich sein, einen oder mehrere der Shunt-Widerstände 7a, 7b, 7c an einer Kühleinrichtung im Inneren des Gehäuses 9 anzuordnen, beispielsweise einer dafür vorgesehenen Kühlfläche. Die Kühlfläche kann beispielsweise an einer Innenwand des Gehäuses 9 oder einer geeigneten Stelle im Gehäuse 9 bereitgestellt werden. Die Kühleinrichtung kann dazu ausgelegt sein, über einen externen Kühlmechanismus kühlbar zu sein, so dass eine ausreichende Kühlung des mit der Kühleinrichtung verbundenen Shunt-Widerstands gewährleistet werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist ein Pulswechselrichter 2 genau drei Shunt-Widerstände an drei Leitungssträngen im Inneren des Gehäuses 9 auf, wie beispielhaft in 1 gezeigt. Es kann dabei auch möglich sein, statt des Shunt-Widerstands 7a in 1 einen ähnlichen Shunt-Widerstand zur Strommessung zwischen einem Anschluss der Leistungsschalter 3b und 3e und dem Phasenanschluss 2d in einem dritten Ausgangsleitungsstrang des Pulswechselrichters 2 vorzusehen. Gleichermaßen ist es möglich, einen Shunt-Widerstand zur Strommessung zwischen dem Gleichspannungsanschluss 2a und einem Anschluss des Zwischenkreises mit dem Kondensator 6 des Phasenwechselrichters 2 vorzusehen. Es sollte klar sein, dass die Anzahl der in einem Phasenwechselrichter 2 nach 1 angeordneten Shunt-Widerstände prinzipiell nicht begrenzt ist. Weiterhin ist klar, dass die Verbindung der Shunt-Widerstände mit der Innenwand des Gehäuses 9 prinzipiell überall im Inneren des Gehäuses 9 möglich sein kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus 20 für einen Shunt-Widerstand 7 in einem Pulswechselrichter, beispielsweise dem in 1 gezeigten Pulswechselrichter 2. Der Shunt-Widerstand 7 kann dabei den Shunt-Widerständen 7a 7b, 7c in 1 entsprechen. Gezeigt ist ein Abschnitt eines Leitungsstrangs innerhalb eines Pulswechselrichters. Ein erster Leitungsabschnitt 23a ist dabei mit einem zweiten Leitungsabschnitt 23a über einen Widerstand 21 verbunden. Der Widerstand 21 ist in einem Shunt-Gehäuse 22 angeordnet. Das Gehäuse 22 ist über ein thermisch leitfähiges Element 8 mit der Gehäusewand des Gehäuses 9 des Pulswechselrichters 2 oder alternativ mit einer Kühleinrichtung im Inneren des Gehäuses 9 verbunden.
Über die im Innneren des Gehäuses 9 verlaufenden Leitungsstränge 23a, 23b können bis zu 400 bis 600 V Spannung anliegen, so dass die Leitungsstränge 23a, 23b von der Gehäusewand um eine gewisse Distanz 24 beabstandet sein müssen, um eine ausreichende Isolation sicherstellen zu können. Der Shunt-Widerstand 7 jedoch sollte möglichst nahe an der Gehäusewand 9 angebracht sein, so dass im Bereich des Shunt-Widerstands 7 eine Stufe in dem Leitungsstrang angeordnet sein kann. Das Shunt-Gehäuse 22 dient zur Isolation des durch den Widerstand 21 verlaufenden Teil des Leitungsstrangs. Das Shunt-Gehäuse 22 kann vorzugsweise aus einem thermisch gut leitfähigen Material bestehen.
Das thermisch leitfähige Element 8 dient zum Abführen der im Widerstand 21 durch einen hohen Stromfluss erzeugten Wärme. Darüber hinaus sollte das thermisch leitfähige Element 8 gute elektrische Isolierungseigenschaften aufweisen, um eine ausreichende Isolation zwischen dem Shunt-Gehäuse 22 und der Gehäusewand 9 zu schaffen. Das thermisch leitfähige Element 8 kann dabei thermisch leitfähige Pasten, Kleber, Elastomere, Gele, Platten oder dergleichen umfassen.
Die Gehäusewand 9 kann dabei von außen über einen externen Kühlmechanismus gekühlt werden. Beispielsweise kann das Gehäuse 9 in 1 an eine Wasserkühlung angeschlossen sein. Über das thermisch leitfähige Element 8 kann dann Wärme vom Widerstand 21 an die Gehäusewand 9 abgegeben werden, die dann wiederum über den externen Kühlmechanismus abgeführt werden kann. Dadurch ist es möglich, den Shunt-Widerstand 7 ausreichend zu kühlen, um eine Funktionsfähigkeit des Shunt-Widerstands 7 zur Strommessung auch bei hohen Stromflüssen zu gewährleisten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7778529 B2 [0003]

Claims

Pulswechselrichter (2), mit: einem Gehäuse (9), in welchem eine Pulswechselrichterschaltung angeordnet ist; und mindestens einem Shunt-Widerstand (7), welcher in einem Leitungsstrang der Pulswechselrichterschaltung angeordnet ist, wobei der Shunt-Widerstand (7) mit einer Innenwand des Gehäuses (9) elektrisch isolierend verbunden ist.
Pulswechselrichter (2) nach Anspruch 1, weiterhin mit: einem externen Kühlmechanismus, welcher dazu ausgelegt ist, das Gehäuse (9) zu kühlen.
Pulswechselrichter (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin mit: einem elektrisch isolierenden Shunt-Gehäuse (22), in welchem der Shunt-Widerstand (7, 21) eingeschlossen ist.
Pulswechselrichter (2) nach Anspruch 3, weiterhin mit: einem thermisch leitfähigen Element (8), welches das elektrisch isolierende Shunt-Gehäuse (22) mit der Innenwand des Gehäuses (9) thermisch leitend und elektrisch isolierend verbindet.
Pulswechselrichter (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulswechselrichterschaltung eine Dreiphasen-Pulswechselrichterschaltung ist, und wobei in jedem der drei Ausgangsleitungsstränge der Pulswechselrichterschaltung jeweils ein Shunt-Widerstand (7a, 7b, 7c) angeordnet ist und jeder der drei Shunt-Widerstände (7a, 7b, 7c) mit einer Innenwand des Gehäuses (9) elektrisch isolierend verbunden ist.
Pulswechselrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pulswechselrichterschaltung eine Dreiphasen-Pulswechselrichterschaltung ist, und wobei in zwei der drei Ausgangsleitungsstränge der Pulswechselrichterschaltung und in einem Gleichspannungsleiterstrang der Pulswechselrichterschaltung jeweils ein Shunt-Widerstand (7a, 7b, 7c) angeordnet ist und jeder der drei Shunt-Widerstände (7a, 7b, 7c) mit einer Innenwand des Gehäuses (9) elektrisch isolierend verbunden ist.
Pulswechselrichter (2), mit: einer Pulswechselrichterschaltung; mindestens einem Shunt-Widerstand (7), welcher in einem Leitungsstrang der Pulswechselrichterschaltung angeordnet ist; und einer Kühleinrichtung, welche durch einen Kühlmechanismus kühlbar ist, wobei der Shunt-Widerstand (7) mit der Kühleinrichtung elektrisch isolierend verbunden ist.
Antriebssystem (10) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit: einer Gleichspannungsquelle (1); einem Pulswechselrichter (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher von der Gleichspannungsquelle (1) mit einer Gleichspannung versorgt wird; und einer elektrischen Maschine (5), welche mit dem Pulswechselrichter (2) verbunden ist und von dem Pulswechselrichter (2) mit einer Wechselspannung versorgt wird.