Die Erfindung betrifft ein elektrisches System mit optimierter Wärmeableitung und eine elektrische Antriebseinheit, die das elektrische System umfasst.

In elektrischen Systemen, insbesondere in solchen, die mit Hochspannung betrieben werden, kommen als Stromleiter oftmals Stromschienen, auch Busbar genannt, zum Einsatz.

Aufgrund der anliegenden hohen Ströme kommt es häufig zu widerstandsbedingten Erwärmungen, auch der Stromschienen. Um widerstandsbedingte Verluste zu verringern und/oder um die Stromschiene selbst bzw. auch andere, angrenzende Komponenten zu schützen ist es oftmals notwendig bzw. aus Gründen der Sicherheit angebracht, Wärme von der Stromschiene abzuleiten. Insbesondere in Ausgestaltungen, bei denen die Stromschiene mit einem Modul elektrisch leitfähig gekoppelt ist, welches selbst an seiner Außenseite ein Kunststoffgehäuse aufweist bzw. eine Kunststoff-Ummantelung, ist jedoch eine Wärmeübertragung auf ein derartiges Modul in nur verringerter Weise möglich bzw. ebenfalls mit der Gefähr der Beschädigung des Kunststoffs des Moduls verbunden.

Zur Ableitung von Wärme existieren beispielsweise sogenannte Gap Pads, also im Wesentlichen zweidimensionale Körper, welche aus Wärmeleitmaterial bestehen, um in Luftspalten Wärmeschnittstellen zwischen elektronischen Bauelementen und Kühlkörpern zu realisieren.

Derartige Gap Pads müssen jedoch die elektrischen Anforderungen hinsichtlich einer ausreichenden Luftstrecke und Kriechstrecke erfüllen. Bei zweidimensional geformten Gap Pads ist dies nur möglich, wenn das Gap Pad ausladende Bereiche aufweist, welche über eine Anlagefläche, an dem das Gap Pad wärmeleitfähig anliegt, hinausragen. Diese Ausführungsform bedingt jedoch einen recht großen Bauraumbedarf, da aufgrund der notwendigen Einhaltung einer ausreichenden Luftstrecke der Randbereich des Gap Pads ausreichend weit von einem benachbarten stromführenden Teil angeordnet sein muss. Allerdings steht insbesondere bei benachbarten Stromschienen unterschiedlicher Polarität oftmals nicht genügend Bauraum zur Verfügung, um Gap Pads an beiden Stromschienen mit ausladenden Randbereichen anzuordnen, da diese oftmals relativ dicht nebeneinander angeordnet sind.

Zudem besteht bei einem derartig ausgeführten Gap Pad das Risiko, dass ein derartiger ausladender Randbereich in Schwingung gerät und dabei akustische Emissionen erzeugt und/oder an benachbarte Bauteile anschlägt.

Zur Behebung der genannten Nachteile könnten Anlageflächen an Maschinenelementen, in die Wärme von der jeweiligen Stromschiene geleitet werden soll, kleiner ausgestaltet werden, um die auskragenden Bereiche eines jeweiligen Gap Pads ausreichend weit darüber hinaus zuführen. Dies wiederum bedingt eine verringerte Fläche, über die Wärme übertragen werden kann, was entsprechend den Wärmeableitungseffekt verringert.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches System und eine damit ausgestattete elektrische Antriebseinheit zur Verfügung zu stellen, welche eine optimierte Wärmeabfuhr mit einem geringen Bauraumbedarf gewährleisten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das elektrische System gemäß Anspruch 1 sowie durch die elektrische Antriebseinheit gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Systems sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.

Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.

Die Erfindung betrifft ein elektrisches System mit optimierter Wärmeableitung, welches eine Stromschiene, ein Maschinenelement sowie ein Wärmeleitelement umfasst, das die Stromschiene wärmeleitfähig kontaktiert. Das Maschinenelement umfasst an einer der Stromschiene zugewandten Seite zumindest bereichsweise ein von einer äußeren Erstreckungsebene hervorstehendes Formelement, welches eine Anlagefläche ausbildet. Das Wärmeleitelement liegt mit einem bodenseitigen Anlageelement an der Anlagefläche wärmeleitfähig an und ummantelt mit einem Ummantelungselement das hervorstehende Formelement. Die äußere Erstreckungsebene des Maschinenelements ist eine Ebene, in der die Außenseite einer der Stromschiene zugewandten Begrenzungswand verläuft, außerhalb des jeweiligen hervorstehenden Formelements.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stromschiene, auch Busbar genannt, ein Leistungsmodul sowie einen Kondensator elektrisch leitfähig verbindet. Das Leistungsmodul und der Kondensator können Bestandteile einer Leistungselektronik sein, die einen Hochvolt-Zwischenkreis ausbildet, zwischen einer Batterie bzw. einem elektrischen Energiespeicher und einer elektrischen Antriebsmaschine, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Der Kondensator kann dabei ein Element eines Umrichters sein, der dazu eingerichtet ist, von der Batterie bereitgestellte Gleichspannung bzw. Gleichstrom schnell dem Leistungsmodul über die Stromschiene zuzuführen, welches diese in Wechselspannung umwandelt.

Wärme von der Stromschiene wird entsprechend von der Stromschiene über das Wärmeleitelement in das Maschinenelement übertragen. Ein derartiges Wärmeleitelement wird auch als Gap Pad oder als Thermal Interface Material (TIM) bezeichnet.

Auf Grund dessen, dass das Maschinenelement ein großvolumiges Bauteil größerer Masse ist, insbesondere wenn es ein Gehäuseelement oder Gehäuse ist, ist dessen spezifische Wärmekapazität hoch und seine Flächen zur Umgebungsluft sind groß, so dass das Maschinenelement viel Wärme aufnehmen kann und/ oder über die Flächen über Konvektion an die Umgebung abgeben kann. Bei wärmeleitfähiger Verbindung des Maschinenelements mit weiteren Aggregaten wird dieser Effekt weiter verstärkt. Erfindungsgemäß wird also erreicht, dass die Wärme der Stromschiene nicht in der Stromschiene verbleiben muss bzw. nicht über ein wenig thermisch leitfähiges Kunststoffgehäuse abgeführt werden muss.

Dadurch ergibt sich eine konstruktiv optimierte Entwärmung der Stromschiene. Das Wärmeleitelement deckt das hervorstehende Formelement nicht nur an der Anlagefläche, insbesondere vollständig, ab, sondern bedeckt das hervorstehende Formelement auch an seitlichen Begrenzungsflächen des hervorstehenden Formelements, wenn dieses im Querschnitt ein Polygon ausbildet, bzw. an der einen seitlichen Begrenzungsfläche, wenn dieses einen runden Querschnitt aufweist. Lediglich der Bereich bzw. die Seite des hervorstehenden Formelements, in dem bzw. an der das hervorstehende Formelement am Maschinenelement angeschlossen ist, ist nicht vom Wärmeleitelement bedeckt.

Eine seitliche Begrenzungsfläche des hervorstehenden Formelements ist dabei eine Fläche, die im Maschinenelement die Verbindung zwischen der Ebene, in der die Außenseite einer der Stromschiene zugewandten Begrenzungswand verläuft, und der Anlagefläche des Maschinenelements, an dem das Wärmeleitelement anliegt, realisiert.

Entsprechend ist vorgesehen, dass das Wärmeleitelement dreidimensional geformt ist, im Wesentlichen wie ein Topf oder Napf, mit einem bodenseitengen Anlageelement als Boden des Topfs, und mit dem Ummantelungselement als Topfwand. Das Ummantelungselement kann dabei ebenfalls wärmeleitfähig an der einen seitlichen Begrenzungsfläche oder an mehreren seitlichen Begrenzungsflächen des hervorstehenden Formelements anliegen. In einer alternativen Ausführungsform ist ein minimaler Abstand zwischen dem Ummantelungselement und der einen seitlichen Begrenzungsfläche bzw. mehreren seitlichen Begrenzungsflächen realisiert. Das Maschinenelement kann insbesondere ein Gehäuseelement sein, oder auch ein komplettes Gehäuse einer Baueinheit.

Das hervorstehende Formelement kann auch als Kühlplateau bezeichnet werden, welches von dem Ummantelungselement des Wärmeleitelements umschlossen ist. Das Wärmeleitelement bildet an der Anlagefläche anliegend ein bodenseitiges Anlageelement aus, das mit dem Ummantelungselement fest und wärmeleitfähig verbunden ist. Insbesondere sind das bodenseitige Anlageelement sowie das Ummantelungselement integrale Bestandteile des Wärmeleitelements. Die Dreidimensionalität des Wärmeleitelements dient zur Vergrößerung der Oberfläche zwecks Abgabe von Wärme an die Umgebung mittels Konvektion, sowie zur Verbesserung der Wärmeübertragung an das Maschinenelement, sowie zur Verlängerung der Kriechstrecke, ohne wesentliche Bauraumnutzung.

Das Wärmeleitelement kann in einer einfachen Ausführungsform mittels Spritzgusses hergestellt sein, wobei jedoch auch eine Herstellung mittels additiver Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel 3D-Druck nicht ausgeschlossen ist. In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist vorgesehen, dass wenigstens eine seitliche Begrenzungsfläche des hervorstehendes Formelements in einem Winkel von 60° bis 120° in Bezug zur Anlagefläche angeordnet ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anlagefläche eben ist. Entsprechend bildet das hervorstehende Formelement im Wesentlichen die Form eines Vorsprungs mit einer stirnseitigen Anlagefläche und dem Querschnitt eines Polygons oder auch mit einem runden Querschnitt aus, wobei das Ummantelungselement des Wärmeleitelements um eine Längsachse des hervorstehenden Formelements, welche im Wesentlichen senkrecht zur Anlagefläche verläuft, um das hervorstehende Formelement herum ausgebildet ist.

Das Maschinenelement kann aus einem Material bestehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 40 W/mK aufweist. Insbesondere kann das Maschinenelement aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein, wie z.B. Stahlguss oder Gusseisen.

Das Wärmeleitelement kann aus einem Material bestehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1 ,6 W/mK aufweist.

Insbesondere kommt als Werkstoff für das Wärmeleitelement ein Silikon mit Keramik- und/ oder Glasfaserzusätzen in Frage.

Gleichzeitig sollte das Material des Wärmeleitelements eine elektrisch isolierende Wirkung aufgrund einer Durchschlagfestigkeit von mindestens 12 kV/mm aufweisen. In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist vorgesehen, dass der Abstand As zwischen der Stromschiene und der Anlagefläche des hervorstehenden Formelements maximal 3 mm beträgt.

Entsprechend dick ist das dazwischenliegende, bodenseitige Anlageelement des Wärmeleitelements ausgeführt, wobei das bodenseitige Anlageelement mit einer leichten Presspassung zwischen der Stromschiene und der Anlagefläche angeordnet sein kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand nicht mehr als 2 mm, gegebenenfalls nicht mehr als 1 mm beträgt. Das bedeutet, dass sich ein jeweiliges hervorstehendes Formelement, welches als Anlagefläche ein sogenanntes Plateau ausführt, bis auf eine minimale Distanz zur Stromschiene an diese heranreicht. Das Verhältnis eines Abstandes aE der äußeren Erstreckungsebene des Maschinenelements zur Stromschiene zum Abstand aS zwischen der Stromschiene und der Anlagefläche des hervorstehenden Formelements ist in einer vorteilhaften Ausführungsform aE/aS > 4.

Das bedeutet, dass ein hervorstehendes Formelement von der äußeren Erstreckungsebene relativ weit in Richtung auf die Stromschiene vorsteht. In dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass lediglich an den Stellen des Maschinenelements, an denen ein Wärmeleitelement anzuordnen ist, auch ein hervorstehendes Formelement durch das Maschinenelement ausgebildet ist.

Das hervorstehende Formelement kann mit einer an der der Stromschiene zugewandten Seite offenen Kavität ausgeführt sein.

Die offene Kavität in dem hervorstehenden Formelement hat insbesondere bei Herstellung des Maschinenelements in Gusstechnik technologische Vorteile, insbesondere bei der Entformung des Maschinenelements. Zudem können Einschlüsse im Guss, wie z.B. Poren oder Lunker, durch gussgerechte Wandstärken reduziert werden

Obwohl also ein hervorstehendes Formelement bei Ausgestaltung mit Kavität eine im Vergleich zu einem aus Vollmaterial hergestellten hervorstehenden Formelement verringerte Anlagefläche aufweist und demzufolge einen erhöhten thermischen Widerstand bei einer Wärmeleitung in das hervorstehende Formelement bewirkt, so lässt sich doch durch die vergrößerte Anlagefläche mittels des Ummantelungselements des Wärmeleitelements wiederum eine Verringerung des thermischen Widerstandes bewirken, sodass letztendlich ein jeweiliges hervorstehendes Formelement gusstechnisch optimiert sein kann und trotzdem für eine ausreichende Wärmeleitung in das hervorstehende Formelement bzw. in das Maschinenelement gesorgt ist.

Das elektrische System kann derart ausgestaltet sein, dass das Wärmeleitelement mit wenigstens einem inneren Auskragungselement an einer inneren Seitenfläche des hervorstehenden Formelements, die die Kavität begrenzt, anliegt.

Das elektrische System kann einen Umrichter aufweisen, wobei das Maschinenelement das Gehäuse oder ein Teil eines Gehäuses des Umrichters ist. Weiterhin kann das elektrische System mehrere hervorstehende Formelemente aufweisen, und das Wärmeleitelement kann mehrere Ummantelungselemente sowie mehrere bodenseitige Anlageelemente aufweisen, mit denen jeweils ein hervorstehendes Formelement ummantelt und bedeckt ist, wobei die Ummantelungselemente und bodenseitigen Anlageelemente miteinander mechanisch durch jeweilige Übergangsbereiche verbunden sind.

Das bedeutet, dass ein jedes der Ummantelungselemente mit jedem weiteren Ummantelungselement mechanisch, gegebenenfalls indirekt, verbunden ist. Dasselbe trifft auf die bodenseitigen Anlageelemente zu.

Ein Wärmeleitelement bildet somit mehrere Topf-artige Gebilde aus, die jeweils ein Ummantelungselement sowie ein bodenseitiges Anlageelement aufweisen.

Die mehreren Ummantelungselemente und die diesen Ummantelungselementen zugeordneten bodenseitigen Anlageelemente können in Reihe angeordnet sein, wobei das elektrische System mehrere Stromschienen umfassen kann, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine Längsachse der Reihenanordnung kann dabei quer in Bezug zur Längsrichtung der Stromschienen verlaufen, so dass an wenigstens zwei der Stromschienen jeweils ein bodenseitiges Anlageelement des Wärmeleitelements anliegt.

Die Stromschienen können unterschiedlich gepolt sein.

Der quere Richtungsverlauf kann dabei beispielsweise in einem Winkelbereich von 30°-150° zwischen der Längsachse der Reihenanordnung in Bezug zur Längsrichtung der Stromschienen erfolgen.

Durch die Ummantelung bzw. Einhüllung von wenigstens einem hervorstehenden Formelement durch ein Ummantelungselement wird weiterhin eine Fixierung des Wärmeleitelement in Bezug zum Maschinenelement in wenigstens zwei translatorischen Freiheitsgraden und zwei Rotationsfreiheitsgraden realisiert.

Die Länge eines jeweiligen Ummantelungselements, im Wesentlichen senkrecht zum bodenseitigen Anlageelement gemessen, kann auf das jeweilige elektrische System angepasst werden, sodass eine notwendig lange Kriechstrecke durch das Ummantelungselement gewährleistet ist.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Antriebseinheit, die wenigstens eine elektrische Rotationsmaschine und eine Leistungselektronik zur Steuerung und/ oder Stromversorgung der elektrischen Rotationsmaschine umfasst, sowie ein erfindungsgemäßes elektrisches System als Bestandteil der Leistungselektronik aufweist.

Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in

Figur 1 : das elektrische System in einer Schnittansicht,

Figur 2: das Wärmeleitelement 40 in einer ersten perspektivischen Ansicht, und

Figur 3: das Wärmeleitelement 40 in einer zweiten perspektivischen Ansicht.

Das in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße elektrische System umfasst eine Stromschiene 1 , die aus einem ersten Teil 11 der Stromschiene 1 sowie aus einem zweiten Teil 12 der Stromschiene 1 zusammengesetzt ist. Insbesondere sind diese beiden Teile 11 ,12 der Stromschiene 1 miteinander verschweißt.

Die Stromschiene 1 verbindet einen Kondensator 70, der beispielsweise eine Kunststoff-Ummantelung aufweisen kann, mit einem Leistungsmodul 60.

Unterhalb der Stromschiene 1 befindet sich ein Maschinenelement 20, welches ein Gehäuse oder einen Teil eines Gehäuses eines Umrichters 80 des elektrischen Systems ausbildet.

Das Maschinenelement 20 umfasst ein von einer äußeren Erstreckungsebene 21 , welche generell eine Außenseite des Maschinenelements 20 ausbildet, hervorstehendes Formelement 30. Das hervorstehende Formelement 30 bildet eine Anlagefläche 31 aus, mit der das hervorstehende Formelement 30 an einem Wärmeleitelement 40 wärmeleitfähig anliegt. Das Wärmeleitelement 40 wiederum liegt am ersten Teil 11 der Stromschiene 1 wärmeleitfähig an. Entsprechend lässt sich Wärme von der Stromschiene 1 über das Wärmeleitelement 40 in das hervorstehende Formelement 30 bzw. in das Maschinenelement 20, im Wesentlichen entlang des skizzierten Wärmeflusses 90, übertragen.

Um die Wärmeleitung von der Stromschiene 1 in das Maschinenelement 20 zu verbessern sowie um die Kriechstrecke zu verlängern, umfasst das Wärmeleitelement 40 ein Ummantelungselement 42, welches sich von einem bodenseitigen Anlageelement 41 , das sich zwischen Stromschiene 1 und Maschinenelement 20 befindet, erstreckt.

Das Ummantelungselement 42 liegt dabei an einer äußeren seitlichen Begrenzungsfläche 34 des hervorstehenden Formelements 30 an. Das bodenseitige Anlageelement 41 liegt an der Anlagefläche 31 des hervorstehenden Formelements 30 an. Sowohl über das Ummantelungselement 42 als auch über das bodenseitige Anlageelement 41 kann Wärme von der Stromschiene 1 in das Wärmeleitelement 40, und von diesem in das Maschinenelement 20 übertragen werden.

Das Ummantelungselement 42 erstreckt sich von der Ebene der Anlagefläche 31 in Richtung auf die äußere Erstreckungsebene 21 des Maschinenelements 20.

Das hervorstehende Formelement 30 ist mit einer Kavität 32 ausgestaltet, die in der Anlagefläche 31 eine Öffnung 33 ausbildet.

Entsprechend könnte alternativ oder hinzukommend auch wenigstens ein Auskragungselement vorhanden sein, welches sich entlang der inneren Seitenfläche 35 des hervorstehenden Formelements 30 erstreckt und an dieser anliegt, um Wärme in das hervorstehende Formelement 30 einzuleiten.

Es ist ersichtlich, dass der Abstand aS zwischen der Stromschiene 1 und der Anlagefläche 31 sehr viel geringer ist als der Abstand aE zwischen der Stromschiene 1 und der äußeren Erstreckungsebene 21 des Maschinenelements 20. Das bedeutet, dass das hervorstehende Formelement 30 einen deutlich größeren Beitrag zur Überbrückung der Distanz zwischen der äußeren Erstreckungsebene 21 des Maschinenelements 20 liefert als das Wärmeleitelement 40.

Die hier beschriebenen Elemente sind Bestandteile einer Leistungselektronik, insbesondere einer Leistungselektronik für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Figuren 2 und 3 zeigen jeweils ein Wärmeleitelement 40 mit drei Ummantelungselementen 42 sowie drei bodenseitigen Anlageelementen 41 in Reihenanordnung. Zwischen benachbarten Ummantelungselementen 42 befindet sich jeweils ein Übergangsbereich 43.

Es ist ersichtlich, dass ein jeweiliges bodenseitiges Anlageelement 41 zusammen mit einem jeweiligen Ummantelungselement 42 im Wesentlichen eine Topf-Form ausbildet, wobei das bodenseitige Anlageelement 41 den Topf-Boden ausbildet, und das Ummantelungselement 42 die Topf-Wand.

Weiterhin ist ersichtlich, dass die bodenseitigen Anlageelemente 41 sowie die Ummantelungselemente 42 integrale Bestandteile desselben Bauteils sind, bzw. aus demselben Material gefertigt sind. Mit dem hier vorgeschlagenen elektrischen System und der damit ausgestatteten elektrischen Antriebseinheit werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, welche eine optimierte Wärmeabfuhr bei geringem Bauraumbedarf gewährleisten.

Bezuqszeichenliste

1 Stromschiene

11 Erster Teil der Stromschiene

12 Zweiter Teil der Stromschiene

20 Maschinenelement

21 äußere Erstreckungsebene

30 hervorstehendes Formelement

31 Anlagefläche

32 Kavität

33 Öffnung

34 seitliche Begrenzungsfläche äußere Seitenfläche des hervorstehenden

Formelements

40 Wärmeleitelement

41 bodenseitiges Anlageelement

42 Ummantelungselement

43 Übergangsbereich

60 Leistungsmodul

70 Kondensator

80 Umrichter

90 Wärmefluss aS Abstand zwischen der Stromschiene und der Anlagefläche aE Abstand zwischen der Stromschiene und der äußeren Erstreckungsebene