CN105390280A - 用于移动工作机的电容器模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于移动工作机的电容器模块。一种电容器模块包括至少一个电容器元件(101)以及用于冷却该电容器元件的冷却结构(103)。该电容器元件的电端子(102a、102b)机械连接到该冷却结构以与该冷却结构导热相关，使得该电容器元件的至少一个电端子经由导电材料制成的柔性连接元件(104a、104b)机械连接到该冷却结构。当电端子之间的距离(D)由于负载和/或温度、和/或由于老化的变化而变化时，该柔性连接元件允许相应的电端子相对于冷却结构移动。

Description

用于移动工作机的电容器模块
技术领域
本发明涉及一种适用于电容性能量存储器的基本结构单元的电容器模块。此外，本发明涉及一种包括机电动力传动链的移动工作机。
背景技术
机电动力传动链通常包括一个或多个电机以及一个电功率转换器。该机电动力传动链可以是串行传动链，其中一个电机作为发电机操作并且该电功率转换器设置成将发电机产生的电压转换为具有适用于该一个或多个其它电机的振幅和频率的电压。该发电机由内燃机驱动，该内燃机例如可以是柴油发动机、奥托循环发动机、或涡轮发动机。其它的电机例如可以是移动工作机的车轮中的电动马达。该电功率转换器通常包括中间电路、位于发电机和中间电路之间的转换器级以及位于中间电路和其它电机之间的一个或多个其它转换器级。也可能的是，机电动力传动链为并行传动链，其中发电机偶尔用作辅助内燃机的马达，尤其是在需要高输出功率的时候。在这种情况下，电功率转换器通常包括中间电路、位于发电机和中间电路之间的转换器级、以及位于中间电路和一个或多个能量存储器之间的一个或多个转换器级。
上述中间电路通常是电容性能量存储器，其包括一个或多个电容器模块，每个电容器模块包括一个或多个电容器元件以及用于冷却该一个或多个电容器元件的冷却结构。该冷却结构通常包括一个或多个散热元件，该散热元件设置有用于将热传导到周围空气中的散热片和/或用于传导例如水的冷却流体冷却通道。每个电容器元件包括电极结构，用于以电极结构的电极之间电荷极化的形式来存储电能。该电极结构连接到电容器元件的电端子，并且该电极结构位于例如由铝制成的外壳中。在许多情况下，该外壳安装在散热元件的孔中。
然而，前述类型的冷却装置具有许多挑战。挑战之一是涉及在外壳和散热元件之间需要提供足够好的热接触。另一个挑战是大部分热量生成产生在输送电流的电极结构中，因此从电极结构至外壳的导热路径的导热性非常重要。使电容器元件的电端子与冷却结构连接以便在电极结构和冷却结构之间提供更直接的导热关系也是一个挑战，因为电端子之间的距离是由于负载和/或温度的变化和/或电容器元件的老化而变化的。因为电端子之间距离的变化，所以连接到电端子之一的冷却结构的一部分相对于连接到其它电端子的冷却结构的另一部分是柔性支撑的。因而，这在与例如移动工作机结合的情况的振动环境中会成为问题。
发明内容
下面进行简要的概述以便提供各种发明实施例的一些方面的基本理解。概述不是对本发明的广泛综述。这并不为了确认本发明的关键或关键因素也不是为了划定本发明的范围。下面的概述仅仅以简单形式表达本发明的一些观点，作为本发明的示例性实施例的更详细说明的前序。
根据本发明，提供一种新型的电容器模块，其适用于电容性能量存储器的基本结构单元。根据本发明的一种电容器模块包括：
-电容器元件，每个包括电端子，
-冷却结构，用于冷却该电容器元件，该电容器元件的电端子机械连接到该冷却结构以与该冷却结构导热连接相关，
-柔性连接元件，由导电材料制成，每个电容器元件的至少一个电端子经由该柔性连接元件之一机械连接到该冷却结构，
-电绝缘膜，位于该冷却结构和一个或多个柔性连接元件之间，
-一个或多个连接板，由导电材料制成并设置成在电容器元件之间提供电流连接(galvanicconnection)，使得该柔性连接元件的一个末端压在连接板和电绝缘膜之间，以及
-一个或多个绝缘板，包括电绝缘材料，以及按压装置，用于将绝缘板压向该冷却结构，使得该连接板压在绝缘板和柔性连接元件的末端之间。
如上所述，每个电容器元件的至少一个电端子经由柔性连接元件之一机械连接到冷却结构。这样，当所考虑的电容器元件的电端子之间的距离变化时，允许所考虑的电端子相对于冷却结构移动。因此，因为所需的柔性存在于电端子和冷却结构之间的机械连接中，所以不需要冷却结构的柔性支撑部分。
根据本发明，还提供了一种新型的移动工作机。根据本发明的一种移动工作机包括：
-内燃机，以及
-机电动力传动链，位于该内燃机和一个或多个车轮、履带和/或该移动工作机的其它致动器之间。
该机电动力传动链包括电容性能量存储器，该电容性能量存储器包括一个或多个根据本发明的电容器模块。
该移动工作机包括，优选但不限于，液体冷却系统，其被配置成冷却该移动工作机的液压系统和该机电动力传动链。该移动工作机例如可以是拖拉机、挖掘机、刮路机、推土机或具有车轮和/或履带或任何其它用于移动的装置的任何其它工作机。
在所附权利要求中说明了本发明的多个示例性的以及非限定性的实施例。
本发明的各种示例性的和非限定性的实施例既是结构也是操作方法，与其附加的目的和优点一起，在结合附图阅读时，从以下对于具体示例性的和非限定性实施例的说明可以得到更好的理解。
用于本文中的动词“具有”以及“包括”为开放性的限定，既不排除也不必须存在所列举的特征。所附权利要求中列举的特征可相互自由组合，除非另有明确限定。此外，应该理解的是，本文通篇使用的“一”或“一个”，即单数形式，并不排除多个的情况。
附图说明
下面在实施例的基础上并结合附图，更详细的解释本发明的示例性以及非限定性的实施例以及它们的优点。
图1a和1b示出了根据现有技术的电容器模块，
图2a、2b和2c示出了根据本发明的示例性和非限定性实施例的电容器模块，以及
图3显示了根据本发明的示例性和非限定性实施例的移动工作机的示意图。
具体实施方式
作为本发明示例性实施例的说明的前序，图1a显示了根据现有技术的电容器模块的侧视图。图1b显示了该电容器模块的顶视图。在坐标系190的辅助下描述与图1a和1b有关的视图方向。该电容器模块包括用于存储电能的电容器模块101。该电容器元件包括用于以电极结构的电极之间电荷极化的形式存储电能的电极结构。该电极结构例如包括第一箔、第二箔以及第一箔和第二箔之间的干燥的电介质材料。还可能的是，该电极结构包括阳极箔、阴极箔以及该阳极箔和阴极箔之间的多孔填料，使得该填料浸渍有液体电解质。这种情况下，电容器元件101为电解电容器。此外，还可能的是，电极结构构造成电双层电容器“EDLC”，其通常被称为“超级电容器”。此外，该电容器元件101包括例如由铝制成的外壳以及连接到电极结构的电极的电端子102a和102b。在许多情况下，外壳构成电端子之一。
该电容器模块包括用于冷却电容器元件101的冷却结构103。该冷却结构例如包括用于将热量传导到周围空气的散热片和/或用于传导液体或气体冷却流体的冷却通道。液体冷却流体例如可以是水，并且气体冷却流体例如可以是空气。在图1a所描述的示例性的情况中，冷却结构103包括冷却通道106和散热片107两者。该电容器模块包括由导电材料制成的柔性连接元件104a和104b。如图1a所示，电容器元件101的电端子102a和102b经由柔性连接元件104a和104b机械连接到冷却结构103。这样，在电端子之间的距离D由于负载和/或温度和/或电容器元件101的老化的变化而变化时，允许电端子102a和102b相对于冷却结构103移动。
在图1a和1b所描述的示例性电容器模块中，每个柔性连接元件104a和104b是例如铜或铝的导电材料的弯曲片材。每个柔性连接元件的第一末端与相应的电端子具有电流接触(galvaniccontact)，该柔性连接元件的第二末端与冷却结构机械连接，并且该柔性连接元件的中间部分设置成响应于其中相应电端子相对于冷却结构移动的情况弯曲。在这个示例性情况下，该柔性连接元件104a和104b不仅提供从电端子102a和102b至冷却结构103的导热路径还提供对于电容器元件101的机械支撑。然而，还可能的是，每个柔性连接元件例如是细铜丝丛，并且还有能对于电容器元件提供机械支撑的其它工具。
在图1a和1b所描述的示例性电容器模块中，在冷却结构103和柔性连接元件104a和104b之间存在电绝缘膜105，以便提供冷却结构和柔性连接元件之间的电流隔离(galvanicseparation)。该柔性连接元件104a和104b利用螺栓112压向膜105，该螺栓利用电绝缘垫圈113和衬套与柔性连接元件104a和104b绝缘。该电绝缘衬套在图1a和1b中未示出。该电绝缘膜105例如可以是BergquistCompany生产的400、K-10或1450，或提供足够好的导热性和足够好的抗电介质击穿的一些其它合适的材料或组合物。还可能的是，该冷却结构包括两个隔离的散热元件并且一个或两个散热元件经由各个柔性连接元件与电容器元件的各个电端子具有电流连接，从而所考虑的散热元件具有与电容器元件的各个电端子同样的电位。
图2a显示了根据本发明的示例性和非限定性实施例的电容器模块的等角视图。图2b描述了图2a所描述的类型的电容器模块如何互连以构成更大的体积。图2c显示了图2a中所示的电容器模块的分解图。
如图2c所示，该电容器模块包括十二个电容器元件。图2a中的附图标记201a、201b、201c、201d、201e和201f表示了六个电容器模块。电容器模块机械连接到包括第一散热元件203a和第二散热元件203b的冷却结构203。该第一和第二散热元件包括用于传导例如水的冷却流体的冷却通道206。电容器模块包括由图2c中的附图标记204a、204b、204c和204d表示的四个柔性连接元件。如图2c所示的分解图可以看出，该电容器元件的电端子经由该柔性连接元件机械连接到冷却结构，使得该柔性连接元件的第一末端例如通过焊接或钎焊附接到电端子，并且该柔性连接元件的第二末端被压向该第一和第二散热元件203a和203b的表面的电绝缘膜205a和205b。该电绝缘膜205a和205b例如可以是BergquistCompany生产的400、K-10或1450，或提供足够好的导热性和足够好的抗电介质击穿的一些其它合适的材料或组合物。
图2a和2c所描述的该电容器模块还包括导电材料制成的连接板并设置成在电容器元件之间提供电流连接，使得该柔性连接元件的第二末端压在连接板和电绝缘材料的膜之间。在图2c中，连接板之一由标记208表示。从图2c可以理解，柔性连接元件204b和204c的第二末端压在电绝缘膜205b和连接板208之间。从而，在附接到柔性连接元件204b和204c的电端子之间存在电流连接。从图2c可以理解，连接板设置成串联连接图2a中的标记201a-201f所表示的电容器元件，使得柔性连接元件204a和204d构成串联连接的输出极。为了启用与外部系统的电连接，电容器模块包括端子元件214，其中之一设置成与柔性连接元件204a具有电流接触，并且其它的设置成与柔性连接元件204d电流接触。
值得注意的是，取决于电容器元件的电连接，还可能的是，该电容器模块的两个或更多个电端子利用同样的柔性连接元件机械连接到冷却结构。例如，在图2a和2c中描述的示例性情况下，柔性连接元件204b和204c可以被单一连接元件替换，它的连接到电容器模块201a和201b的电端子的第一末端是两个分支，以便允许这些电端子相对于散热元件203b彼此独立移动。这样，对于诸如连接板208的连接板的需求，可以通过使用合适的柔性连接元件来避免。另一方面，还存在与例如制造和生产管理相关的多个因素，鉴于这些因素，电容器元件的每个电端子连接到其自己的柔性连接元件并且所有的柔性连接元件彼此相似是有利的。
图2a和2c中描述的电容器模块还包括每个包括电绝缘材料的绝缘板209a和209b。该电容器模块包括按压装置210，用于将绝缘板压向冷却结构。从图2c可以理解，例如，连接板208压在绝缘板209b和柔性连接元件204b和204c的第二末端之间。该按压装置210包括压板211a和211b以及用于按压该压板的螺栓，使得由绝缘板209a和209b、连接板和端子元件214、柔性连接元件的第二末端以及电绝缘膜205a和205b构成的叠层结构压在压板211a和211b以及散热元件203a和203b之间。在图2c中，螺栓之一由标记212表示。为了避免不想要的电流接触，连接板、端子元件214和柔性连接元件的第二末端成形为不接触螺栓。
绝缘板209a和209b优选包括电导体，其设置成与连接板形成电流接触并承载指示电容器元件电压的电信号。该绝缘板209a和209b例如为印刷电路板“PCB”，其设置有用于进行与正确连接板的预期电流接触的连接焊盘。指示电容器元件电压的电信号通过正确的布线连接到图2a所示的电子系统215。电子系统215包括用于监测和控制的装置，例如电容器模块的总电压在串联连接的电容器元件之间分布足够均匀，以及每个电容器元件的电压低于安全限值。还可能的是，电子系统215设置有用于将指示电容器元件电压的数据传输到外部控制系统的装置。
图3显示了根据本发明的示例性和非限定性实施例的移动工作机320的示意图。在这个示例性情况下，移动工作机是挖掘机，但是该移动工作机还可以是拖拉机、刮路机、推土机或包括车轮和/或履带或任何其它用于移动的装置的任何其它工作机。该移动工作机包括内燃机321，其例如可以是柴油发动机、奥托循环发动机、或涡轮发动机。该移动工作机包括位于内燃机321和移动工作机的车轮之间的机电动力传动链322。在图3中，用标记328和329表示两个车轮。该机电动力传动链包括发电机326，其转子机械连接到内燃机的轴。该机电动力传动链包括电功率转换器327和该移动工作机的车轮轮毂处的电动马达。在图3中，用标记330和331表示两个电动马达。电功率转换器327设置成将由发电机326产生的电压转换成具有适于电动马达的振幅和频率的电压。该机电动力传动链还包括电容性能量存储器323，其包括一个或多个电容器模块。每个电容器模块包括一个或多个电容器元件，以及用于冷却该一个或多个电容器元件的冷却结构。每个电容器元件的电端子机械连接到冷却结构，使得每个电容器元件的至少一个电端子经由柔性连接元件机械连接到该冷却结构，以便在电端子之间的距离由于负载和/或温度和/或所考虑的电容器元件的老化的变化而变化时，允许相应的电端子相对于该冷却结构移动。
根据本发明的示例性和非限定性实施例的移动工作机包括液体冷却系统324，并且每个电容器模块的冷却结构包括连接到该液体冷却系统324的冷却管道。该液体冷却系统324设置成也冷却机电动力传动链322的其它部分，和/或移动工作机的液压系统325，和/或内燃机321。
根据本发明的示例性和非限定性实施例的移动工作机包括电池元件332，其与电容性能量存储器323一起，用于响应超过内燃机321的最大功率的峰值功率需求。
前述说明书中提供的具体实施例不应该作为所附权利要求的适用性和/或解释的限制。

Claims (9)

1.一种电容器模块，包括：
-电容器元件(101、201a-201f)，每个所述电容器元件(101、201a-201f)包括电端子(102a、102b)，
-冷却结构(103、203)，所述冷却结构(103、203)用于冷却所述电容器元件，所述电容器元件的电端子机械连接到所述冷却结构以与所述冷却结构导热相关，
-柔性连接元件(104a、104b、204a-204d)，所述柔性连接元件(104a、104b、204a-204d)由导电材料制成，每个所述电容器元件的至少一个电端子经由所述柔性连接元件之一机械连接到所述冷却结构，以便允许所考虑的所述电端子相对于所述冷却结构移动，
-电绝缘膜(105、205a、205b)，所述电绝缘膜(105、205a、205b)位于所述冷却结构和一个或多个所述柔性连接元件之间，以及
-一个或多个连接板(208)，所述一个或多个连接板(208)由导电材料制成并设置成在所述电容器元件之间提供电流连接，使得所述柔性连接元件(204b、204c)的一个末端压在所述连接板(208)和所述电绝缘膜(205b)之间，
其特征在于，所述电容器模块还包括一个或多个包括电绝缘材料的绝缘板(209a、209b)，以及按压装置(210)，所述按压装置(210)用于将所述绝缘板压向所述冷却结构，使得所述连接板压在所述绝缘板和所述柔性连接元件的末端之间。
2.根据权利要求1所述的电容器模块，其中，每个所述柔性连接元件(104a、104b)是所述导电材料的片材，每个所述柔性连接元件的第一末端与所述相应的电端子具有电流接触，每个所述柔性连接元件的第二末端机械连接到所述冷却结构，以及每个所述柔性连接元件的中间部分设置为响应于其中所述相应的电端子相对于所述冷却结构移动的情况而弯曲。
3.根据权利要求1或2所述的电容器模块，其中，所述一个或多个绝缘板(209a、209b)包括电导体，所述电导体设置成与所述连接板形成电流接触以及承载指示所述电容器元件的电压的电信号。
4.根据权利要求1或2所述的电容器模块，其中，所述冷却结构(203)包括：
-第一散热元件(203a)，所述第一散热元件(203a)用第一柔性连接元件机械连接到所述电容器元件的第一电端子，以及
-第二散热元件(203b)，所述第二散热元件(203b)用第二柔性连接元件机械连接到所述电容器元件的第二电端子。
5.根据权利要求1或2所述的电容器模块，其中，所述冷却结构(103)包括下述中的至少一个：用于传导冷却流体的冷却通道(106、206)、用于将热量传导到周围空气的散热片(107)。
6.根据权利要求1或2所述的电容器模块，其中，每个所述电容器元件是电双层电容器。
7.一种移动工作机(320)，包括：
-内燃机(321)，以及
-机电动力传动链(322)，所述机电动力传动链(322)位于所述内燃机和所述移动工作机的一个或多个致动器之间，其中，所述机电动力传动链包括电容性能量存储器(323)，所述电容性能量存储器(323)包括至少一个根据权利要求1或2所述的电容器模块。
8.根据权利要求7所述的移动工作机，其中，所述电容器模块的冷却结构包括用于传导冷却流体的冷却通道，并且所述移动工作机包括连接到所述电容器模块的冷却通道的液体冷却系统(324)。
9.根据权利要求8所述的移动工作机，其中，所述液体冷却系统被配置成冷却所述移动工作机的液压系统(325)。
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