CN107424843A - 低电感电容器 - Google Patents

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CN107424843A CN201710363037.4A CN201710363037A CN107424843A CN 107424843 A CN107424843 A CN 107424843A CN 201710363037 A CN201710363037 A CN 201710363037A CN 107424843 A CN107424843 A CN 107424843A
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Abstract

本公开涉及低电感电容器。一种电容器包括：第一端部喷涂层和第二端部喷涂层，分别位于电容器单元的末端；正极汇流条，从电容器单元的与第一端部喷涂层邻近的第一缠绕导电层延伸；负极汇流条，从电容器单元的与第二端部喷涂层邻近的第二缠绕导电层延伸；电容器膜，卷绕在第一缠绕导电层与第二缠绕导电层之间的区域上。

Description

低电感电容器
技术领域
本公开涉及一种电容器，所述电容器可与电气组件一起使用以减小所述电容器的电感。
背景技术
电动车辆和混合动力电动车辆可使用输送直流电(DC)的高电压源(例如，电池组或燃料电池)来驱动马达、电牵引系统和其它车辆系统。这样的系统可利用电力逆变器来将来自电源的DC输入转换为与电动马达以及其它电气组件兼容的交流电(AC)输出。这样的逆变器可包括通过电容器系统互连的电容器模块和电力模块两者，所述电容器系统在整个逆变器中对电流进行分配。典型的逆变器可能会在流过电力模块的电流突然变化时(诸如，当逆变器被关闭时)产生电压尖峰。这些电压尖峰的幅值与电容器的电感有关。
对于具有高固有电感的系统，电压尖峰被加剧。即，如果电感高，则即便是相对小的电流变化也能产生相对大的电压尖峰。电容器可能由于其各种输入节点和输出节点之间的相对长的电流路径而对逆变器系统的总电感贡献显著。低电感电容器可减小当电力模块被关闭时的电压尖峰。所述低电感电容器可支持在具有更少部件并最小化材料成本的电力逆变器中分配电流。
发明内容
第一说明性实施例公开了一种电容器，所述电容器包括：主体，包括缠绕在螺旋形的电容器膜上的导电层；第一端部喷涂层和第二端部喷涂层，分别位于所述主体的相对两端部；第一汇流条，附连到第一端部喷涂层并且从第一端部喷涂层延伸；第二汇流条，在第一汇流条与第二端部喷涂层之间的位置处附连到所述导电层并且从所述导电层延伸。
第二说明性实施例公开了一种电容器，所述电容器包括：第一汇流条，从第一端部喷涂层延伸；第二汇流条，具有与第一汇流条相反的极性，从电容器的主体的卷绕在电容器膜和绝缘层上的导电层延伸，其中，所述导电层设置在所述电容器膜和第二端部喷涂层之间。
根据本发明的一个实施例，所述电容器膜设置在第一汇流条和第二汇流条之间。
第三说明性实施例公开了一种电容器，所述电容器包括：第一端部喷涂层和第二端部喷涂层，分别位于电容器单元的末端；正极汇流条，从电容器单元的与第一端部喷涂层邻近的第一缠绕导电层延伸；负极汇流条，从电容器单元的与第二端部喷涂层邻近的第二缠绕导电层延伸；电容器膜，卷绕在第一缠绕导电层与第二缠绕导电层之间的区域上。
根据本发明的一个实施例，正极汇流条和负极汇流条从电容器单元的相对表面向外延伸。
根据本发明的一个实施例，所述电容器还包括卷绕在第一缠绕导电层和第二缠绕导电层中的至少一个上的绝缘层。
根据本发明的一个实施例，所述电容器的自感小于1纳亨(nH)。
附图说明
图1是电气化车辆的示例的示意图。
图2是可变电压转换器和电力逆变器的示意图。
图3示出了电容器的透视图。
图4示出了电容器的侧视图。
图5示出了电容器的前横截面。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的具体实施例；然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，其可以以各种和替代的形式实施。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式使用本发明的代表性基础。
在图1中描述了PHEV的示例，该PHEV在此总体上被称为车辆16。车辆16可包括传动装置12，并且车辆16是在内燃发动机20的辅助下由电机18推进的电动车辆的示例。车辆16可连接到外部电网。电机18可以是在图1中被描绘为马达18的AC电动马达。电机18接收电力并提供扭矩用于车辆推进。电机18还可用作发电机，以通过再生制动将机械能转换为电能。
传动装置12可以是动力分流式构造(power-split configuration)。传动装置12可包括第一电机18和第二电机24。第二电机24可以是在图1中被描绘为发电机24的AC电动马达。与第一电机18类似，第二电机24可接收电力并提供输出扭矩。第二电机24还可操作为发电机，以将机械能转换为电能并优化通过传动装置12的动力流。在其它实施例中，传动装置可以不具有动力分流式构造。
传动装置12可包括行星齿轮单元(未示出)，并可作为无级变速器运转且不具有任何固定传动比或阶梯传动比。传动装置12还可包括单向离合器(O.W.C)和发电机制动器33。O.W.C可连接到发动机20的输出轴，以控制输出轴的旋转方向。O.W.C可防止传动装置12反向驱动发动机20。发电机制动器33可连接到第二电机24的输出轴。发电机制动器33可被启用而进行“制动”或者防止第二电机24的输出轴和中心齿轮(未示出)的旋转。可选地，O.W.C和发电机制动器33可由针对发动机20和第二电机24实施的控制策略来代替。传动装置12可连接到驱动轴46。驱动轴46可通过差速器50连接到一对驱动轮48。传动装置的输出齿轮(未示出)可辅助在传动装置12和驱动轮48之间传输扭矩。传动装置12还可与热交换器49或用于冷却传动装置流体的自动传动装置流体冷却器(未示出)连通。
车辆16包括用于储存电能的能量储存装置(诸如，牵引电池52)。如下面进一步描述的，电池52可以是能够输出电力以操作第一电机18和第二电机24的高电压电池。当第一电机18和第二电机24作为发电机运转时，电池52还可从第一电机18和第二电机24接收电力。电池52可以是由多个电池模块(未示出)组成的电池组，其中，每个电池模块包括多个电池单元(未示出)。车辆16的其它实施例预期能量储存装置的替代类型，诸如，可补充或取代电池52的电容器和燃料电池(未示出)。
高电压总线可将电池52电连接至第一电机18和第二电机24。例如，车辆16可包括用于控制电池52的电池能量控制模块(BECM)54。BECM 54可接收指示特定车辆状况和电池状况(诸如，电池温度、电压和电流)的输入。BECM 54可计算并估计电池52的参数，诸如，电池荷电状态(BSOC)和电池功率容量(Pcap)。BECM 54可向其它车辆系统和控制器提供指示BSOC和Pcap的输出。
车辆16可包括DC-DC转换器或可变电压转换器(VVC)10和逆变器56。VVC 10和逆变器56可电连接在电池52与第一电机18以及第二电机24之间。VVC 10可“增压”或增大由电池52提供的电力的电压电势(voltage potential)。VVC 10还可“降压”或减小提供至电池52的电力的电压电势。逆变器56可将由电池52经由VVC 10供应的DC电力转换为用于操作电机18和电机24中的每个的AC电力。逆变器56还可将由电机18和电机24中的每个提供的AC电力整流成DC电力，以用于给电池52充电。在其它示例中，传动装置12可利用多个逆变器(诸如，电机18和24中的每个关联有一个逆变器)进行操作。VVC 10包括电感器组件14(参照图2进一步被描述)。
传动装置12被示出为与用于控制电机18和电机24、VVC 10以及逆变器56的传动装置控制模块(TCM)58进行通信。TCM 58可被配置为监测电机18和电机24中的每个的状况(诸如，位置、转速和功率消耗)。TCM 58还可监测VVC 10和逆变器56内的多个位置处的电参数(例如，电压和电流)。TCM 58提供与该信息对应的输出信号，以供其它车辆系统使用。
车辆16可包括车辆系统控制器(VSC)60，VSC 60与其它车辆系统和控制器进行通信，以用于协调它们的操作。尽管被示出为单个控制器，但是可预期到的是，VSC 60可包括多个控制器，以根据总体车辆控制逻辑或软件来控制多个车辆系统和组件。
车辆控制器(诸如，VSC 60和TCM 58)可包括彼此协作以执行车辆操作的各种配置的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，闪存、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)以及软件代码。控制器还可包括预定数据或“查找表”，所述预定数据或“查找表”可从存储器访问并且可以是基于计算和测试数据的。该预定数据可由控制器使用，以便于控制车辆操作。VSC 60可通过使用总线协议(诸如，CAN和LIN)的一个或更多个有线或无线连接与其它车辆系统和控制器(例如，BECM 54和TCM 58)进行通信。VSC 60可接收表示传动装置12的当前位置(例如，驻车挡、倒车挡、空挡或前进挡)的输入(PRND)。VSC 60还可接收表示加速踏板位置的输入(APP)。VSC 60可向TCM 58提供表示期望的车轮扭矩、期望的发动机转速和发电机制动器命令的输出，并且可向BECM 54提供接触器控制。
车辆16可包括用于控制发动机20的发动机控制模块(ECM)64。VSC 60向ECM 64提供输出(诸如，期望的发动机扭矩)，所述输出可以是基于包括APP的若干输入信号的并且可与驾驶员的对车辆推进的请求相对应。
电池52可经由充电端口66周期性地从外部电源或电网接收AC电能。车辆16还可包括从充电端口66接收AC电能的车载充电器68。充电器68可包括AC/DC转换能力，以将接收到的AC电能转换为适合于在再充电操作期间给电池52充电的DC电能。尽管以PHEV的背景进行示出和描述，但是可预期的是，可在其它类型的电气化车辆(诸如，FHEV或BEV)上实施逆变器56。
参照图2，示出了VVC 10和逆变器56的电路图的示例。VVC 10可包括用于提升输入电压(V_bat)以提供输出电压(V_dc)的第一开关单元70和第二开关单元72。第一开关单元70被示出为第一晶体管74并联连接到第一二极管76但是它们的极性对调(在此称作反并联)。第二开关单元72被示出为第二晶体管78反并联连接到第二二极管80。晶体管74和78中的每个都可以是一种可控开关(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))。另外，晶体管74和晶体管78中的每个都可由TCM 58单独控制。电感器组件14被描绘为串联连接在电池52与开关单元70和72之间的输入电感器。当供应电流时，电感器组件14可产生磁通。当流过电感器组件14的电流变化时，产生随时间变化的磁场并感应出电压。VVC 10的其它实施例可包括替代的电路配置(例如，多于两个的开关)。
逆变器56可包括堆叠在组件中的多个半桥82。半桥82中的每个可被封装为功率级(power stage)。在示出的示例中，逆变器56包括六个半桥(尽管图2仅对一个完整的半桥82进行了标注)，三个半桥用于马达18，三个半桥用于发电机24。半桥82中的每个可包括连接至来自电池52的正极DC节点的正极DC引线84以及连接至来自电池52的负极DC节点的负极DC引线86。半桥82中的每个还可包括第一开关单元88和第二开关单元90。第一开关单元88包括并联连接至第一二极管94的第一晶体管92。第二开关单元90包括并联连接至第二二极管98的第二晶体管96。第一晶体管92和第二晶体管96可以是IGBT或FET。半桥82中的每个的第一开关单元88和第二开关单元90将电池52的DC电力转换为在AC引线100处的单相AC输出。AC引线100中的每个电连接至马达18或发电机24。在该示例中，三个AC引线100电连接至马达18，另外三个AC引线100电连接至发电机24。
薄膜电容器是用于电气化车辆应用的组件。具有低自感的电容器可被用于减少半导体器件的过度设计并节省组件成本。导电材料(诸如，金属化膜、铝箔或铜箔等)与绝缘层缠绕在一起，以提供内部部件的屏蔽。通过在金属化膜外部增加导电层，可有效地降低电容器单元的自感。
图3示出了电容器的透视图。电容器101可被用于机动车应用或任何其它类型的电气应用中。在机动车环境中，电容器101可以是用于在电动车辆(EV)或混合动力车辆中使用的牵引逆变器的组件。电容器可用于牵引逆变器以吸收直流(DC)链或汇流条中的纹波电流和平滑电压。电容器101包括可被用于储存能量的电容器单元103。电容器单元103还可包括附连到电容器单元103的多个汇流条。汇流条被用于在逆变器和其它电气组件(例如，转换器等)与电容器单元103之间传送电流。汇流条可附连到电容器单元的导电层。汇流条本身可以是中性的，然而，当汇流条被用于电气应用中时，汇流条此时可具有取决于电容器101所连接的电气组件的被限定的极性。例如，电容器单元可包括负极汇流条105和正极汇流条107两者。每个电容器可包括具有不同的长度和宽度的多个汇流条。例如，正极汇流条107可具有比负极汇流条105更宽的尺寸或者可以比负极汇流条105更长，反之亦然。每个汇流条彼此之间可分开限定的距离。尽管不是必需的，但是汇流条可在大体上从芯扩展的平面上大体上彼此平行地延伸。例如，汇流条可沿着电容器101的相对侧向外延伸。尽管汇流条可都位于每个端部喷涂层(end spray)处，但是这不是必需的。例如，汇流条可附连到与每个端部喷涂层邻近的导电层，而汇流条本身可以不直接附连到端部喷涂层。此外，随着两个汇流条之间的距离的增大，它们更加远离彼此，自感可增大。在一些应用中，最小化汇流条之间的自感会是有益的，因此最小化两个汇流条之间的距离可实现自感的降低。
在一个实施例中，正极汇流条107可附连到电容器的端部喷涂层109。可利用喷涂在电容器的每个端部上的熔融金属液滴层，利用焊接到每个端部喷涂层109的引线来实现与金属化膜的电连接。金属化膜与端部喷涂层109的连接可能不是连续的，这是因为小的金属颗粒可在离散位置处接触金属化层。汇流条可被用于在电子器件内传送电流。汇流条可被用作电子组件的引线。
在正极汇流条107与负极汇流条105之间的可以是电容器膜111，电容器膜111可以是卷绕在电容器主体或电容器单元103上的缠绕金属化膜。还可利用导电层113来覆盖电容器单元103或电容器主体。导电层113可以是多层导电材料层，诸如，金属化膜、铝箔、铜箔等。导电材料可与电容器膜111外部的绝缘层缠绕在一起，以提供对包括缠绕金属化膜层的电容器101的内部部件的屏蔽。通过在缠绕金属化膜外部增加导电层113，可在不引入额外的制造工艺或者使额外的制造工艺最少化的情况下有效地降低电容器单元的自感。作为示例，电容器101的自感可低于1纳亨(nH)。
图4示出了电容器101的侧视图。在一个说明性实施例中，电容器101可包括附连到一个端部喷涂层的正极汇流条107和附连到导电层113的负极汇流条105。负极汇流条105可沿着电容器单元103附连到导电层113的任何部分。然而，负极汇流条105位于与正极汇流条107相对的端部喷涂层109处会由于各个汇流条之间的距离而使得自感增加。例如，负极汇流条105可接触导电层113的任何表面，而不一定接触导电层113的最接近正极汇流条107的部分。此外，每个汇流条不需要在电容器单元103的同一侧上。相反，汇流条可位于相对的表面上。例如，正极汇流条107可在电容器单元103的顶表面上，而负极汇流条105可在电容器单元103的底表面上。
图5示出了包括导电层的电容器的前横截面。电容器可首先用缠绕金属化膜117进行卷绕，所述缠绕金属化膜117是包括金属化层的聚合物。在一个实施例中，可存在由电容器的芯构成的多层缠绕金属化膜。缠绕金属化膜是形成薄膜电容器的功能部分。电容器可能需要非导电的介电层以及在介电层两侧上的两个导电层。介电层的性质可确定电容器的性能以及电容值。对于薄膜电容器，电容器可利用具有双面金属化层的聚合物薄膜(诸如，缠绕金属化膜)。
接下来，可将电容器的缠绕金属化膜117的层卷绕在空白膜115中以用于绝缘。空白膜115可包括与缠绕金属化膜的材料类似的材料，然而，空白膜115不应该是金属化的或导电的。因此，空白膜可以是聚合物薄膜。空白膜115或电容器膜111可被用于保护电容器的内部功能层免受电损坏、机械损坏和/或化学损坏。
导电层113可卷绕在空白膜115上，空白膜115也可被称作绝缘层。导电层可以足够厚以传导电流，从而利用金属来传送电流。厚度可能需要满足50至60安培的特定电流水平。在另一实施例中，还可将另一绝缘层或空白膜层卷绕在导电层113上。
尽管上面描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。此外，可组合各种实现的实施例的特征以形成本发明进一步的实施例。

Claims (14)

1.一种电容器，包括：
主体，包括缠绕在螺旋形的电容器膜上的导电层；
第一端部喷涂层和第二端部喷涂层，分别位于所述主体的相对两端部；
第一汇流条，附连到第一端部喷涂层并且从第一端部喷涂层延伸；
第二汇流条，在第一汇流条与第二端部喷涂层之间的位置处附连到所述导电层并且从所述导电层延伸。
2.如权利要求1所述的电容器，其中，所述导电层设置在所述电容器膜与第二端部喷涂层之间。
3.如权利要求1所述的电容器，其中，所述电容器膜设置在第一汇流条与所述导电层之间。
4.如权利要求1所述的电容器，其中，第一汇流条与第二汇流条从所述主体的同一侧延伸。
5.如权利要求1所述的电容器，其中，第一汇流条从所述主体的与第二汇流条相对的侧部延伸。
6.如权利要求1所述的电容器，其中，所述导电层包括金属化膜。
7.如权利要求1所述的电容器，其中，第一汇流条与第二汇流条之间的距离小于第二汇流条与第二端部喷涂层之间的距离。
8.如权利要求1所述的电容器，其中，第一汇流条与第二汇流条之间的距离大于第二汇流条与第二端部喷涂层之间的距离。
9.如权利要求1所述的电容器，还包括螺旋形的金属化膜，其中，所述螺旋形的电容器膜缠绕在所述螺旋形的金属化膜上。
10.如权利要求9所述的电容器，还包括缠绕在所述导电层上的绝缘层。
11.如权利要求1所述的电容器，其中，电容器的自感小于1纳亨(nH)。
12.如权利要求1所述的电容器，其中，第一汇流条和第二汇流条具有相反的极性。
13.一种电容器，包括：
第一汇流条，从第一端部喷涂层延伸；
第二汇流条，具有与第一汇流条相反的极性，从电容器的主体的卷绕在电容器膜和绝缘层上的导电层延伸，其中，所述导电层设置在所述电容器膜和第二端部喷涂层之间。
14.一种电容器，包括：
第一端部喷涂层和第二端部喷涂层，分别位于电容器单元的末端；
正极汇流条，从电容器单元的与第一端部喷涂层邻近的第一缠绕导电层延伸；
负极汇流条，从电容器单元的与第二端部喷涂层邻近的第二缠绕导电层延伸；
电容器膜，卷绕在第一缠绕导电层与第二缠绕导电层之间的区域上。
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