DE102004045182A1 - Capacitor module for use in main power supply of automobile, has set of capacitors arranged in cup-shaped module housing, where gap is provided between two adjacent condensers and housing is sealed externally - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Kondensatormodul.The The invention relates to a capacitor module.
Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren haben üblicherweise Zellspannungen von weniger als 3 V. Aus diesem Grund werden mehrere dieser Kondensatoren in Reihe geschaltet, um bei Anwendungen höheren Spannungsbedarfs die notwendigen Spannungen zu erreichen. Solche Reihenschaltungen von Kondensatoren werden oft Kondensatormodule genannt. So wird beispielsweise ein Kondensatormodul für den Einsatz im 42 V Bordnetz von Automobilen aus 18 in Reihe geschalteten Kondensatoren aufgebaut.electrochemical Double layer capacitors usually have cell voltages of less than 3 V. For this reason, several of these capacitors Connected in series to higher voltage applications to reach necessary tensions. Such series connections of Capacitors are often called capacitor modules. For example a capacitor module for the use in the 42 V electrical system of automobiles from 18 series connected Constructed capacitors.
Zur Verbesserung der Handhabbarkeit, zum Schutz der Kondensatoren vor Staub, Öl und Wasser sowie als Berührungsschutz werden die in Reihe geschalteten Kondensatoren von einem Modulgehäuse umfasst. Beim Laden und Entladen erwärmen sich die einzelnen Kondensatoren aufgrund ihres Innenwiderstands. Durch diese Erwärmung steigt die Alterungsgeschwindigkeit der Kondensatoren an, sodass die Brauchbarkeitsdauer des Kondensatormoduls reduziert wird.to Improved handling, to protect the capacitors before Dust, oil and water as well as protection against contact The series capacitors are comprised of a module housing. Heat when charging and discharging the individual capacitors due to their internal resistance. By this warming increases the aging rate of the capacitors, so the useful life of the capacitor module is reduced.
Aus
Es liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kondensatormodul anzugeben, bei dem die Kondensatoren stabil betrieben und vor äußeren Umgebungsbedingungen geschützt werden können.It The present invention is based on the object, a capacitor module in which the capacitors operate stably and against external environmental conditions protected can be.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich neben der nachfolgenden Beschreibung auch aus den Unteransprüchen.The The object is solved by the features of the independent claim. advantageous Embodiments of the invention will be apparent next to the following Description also from the dependent claims.
Es wird ein Kondensatormodul vorgeschlagen, aufweisend:
- – ein becherförmiges Modulgehäuse,
- – mehrere im Modulgehäuse angeordnete Kondensatoren, wobei zwischen zwei benachbarten Kondensatoren ein Abstand vorgesehen ist,
- – das Modulgehäuse nach außen abgedichtet ist.
- A cup-shaped module housing,
- A plurality of capacitors arranged in the module housing, wherein a gap is provided between two adjacent capacitors,
- - The module housing is sealed to the outside.
Mittels des nach außen abgedichteten Modulgehäuses können die Kondensatoren vor äußeren Einflüssen, wie z. B. Staub, Öl, Wasser und Berührung, geschützt werden.through of the outside sealed module housing can the capacitors from external influences, such as z. Dust, oil, Water and touch, protected become.
Zudem bleibt vorteilhafterweise ein aus den Kondensatoren austretender Elektrolyt, beispielsweise wenn die Kondensatoren überladen wurden, im Modulgehäuse und kann somit nicht nach außen entweichen. Dies ist auch der Fall, wenn die Kondensatoren mit zusätzlichen Sollbruchstellen ausgestattet sind, welche beim Überladen des Kondensators ausgelöst werden um den Strom zum Kondensator abzubrechen und/oder um den Elektrolyt möglichst kontrolliert entweichen zu lassen.moreover advantageously remains out of the capacitors emerging Electrolyte, for example when the capacitors overcharge were, in the module housing and thus can not go outside escape. This is also the case when the capacitors with additional Predetermined breaking points are equipped, which are triggered when overcharging the capacitor to break off the current to the capacitor and / or the electrolyte preferably to escape in a controlled manner.
Das
Kondensatormodul wird vorzugsweise dadurch erweitert, dass ein Mindestabstand
zwischen zwei benachbarten Kondensatoren in einem Bereich liegt,
welcher nach der Formel
Im Kondensatormodul wird vorzugsweise ein Ventilator angeordnet, um die Konvektion des zwischen den Kondensatoren befindlichen Mediums zu fördern.in the Capacitor module is preferably arranged a fan to the convection of the medium between the capacitors to promote.
Es wird bevorzugt, dass der Raum zwischen den benachbarten Kondensatoren mit einem Medium teilweise oder vollständig gefüllt ist, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als Luft. Das Medium kann dabei eine feste Form aufweisen bzw. eine feste Form aufnehmen. Eine Abkühlung der Kondensatoren bzw. eine Wärmeableitung von den Kondensatoren nach außen kann insbesondere gefördert werden, wenn das Medium eine Vergussmasse ist, welche beispielsweise Polyurethan enthält.It it is preferred that the space between the adjacent capacitors partially or completely filled with a medium having a higher thermal conductivity has as air. The medium can have a solid form or record a solid form. A cooling of the capacitors or a heat dissipation from the capacitors to the outside can be particularly encouraged be when the medium is a potting compound, which, for example Polyurethane contains.
Durch die Optimierung des Wärmehaushalts durch die oben genannten Maßnahmen kann das Kondensatormodul vorteilhafterweise auch bei Umgebungstemperaturen betrieben werden, bei denen Module ohne optimierten Wärmehaushalt die obere Einsatztemperatur der Kondensatoren bereits überschreiten würden.By the optimization of the heat balance through the above measures The capacitor module can advantageously also at ambient temperatures operated, where modules without optimized heat balance already exceed the upper operating temperature of the capacitors would.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:The Invention will become apparent from the following embodiments and figures explained in more detail. Showing:
Module mit offenen Modulgehäusen und aktiver Kühlung haben den Vorteil, dass die Wärme effektiv aus dem Modul nach außen geführt werden kann. Jedoch können Umwelteinflüsse ungehindert von außen ins Modul eindringen und die Kondensatoren, beispielsweise durch Korrosion, zerstören. Eine Möglichkeit, den Einfluss der äußeren Umwelteinflüsse zu reduzieren, liegt darin, die Öffnungen des Modulgehäuses, an denen eine Kühlluft von außen ins Kondensatormodul geführt wird, mit Staub/Ölfiltern zu versehen. Durch solche Filter würde sich die Effektivität der Kühlung allerdings erheblich verringern. Darüber hinaus ist ein regelmäßiges Austauschen der Filter notwendig.modules with open module housings and active cooling have the advantage that the heat effectively out of the module to the outside guided can be. However, you can environmental influences unhindered from the outside penetrate into the module and the capacitors, for example by Corrosion, destroy. A possibility, to reduce the influence of external environmental factors lies in it, the openings the module housing, where a cooling air from the outside led into the capacitor module will, with dust / oil filters to provide. Such filters would reduce the effectiveness of the cooling, however significantly reduce. About that addition is a regular exchange the filter necessary.
Auch bei der Verwendung von Doppelschicht-Kondensatoren, welche einen sehr niedrigen internen Widerstand aufweisen, können die internen Verluste nicht vernachlässigt werden. Aus diesem Grund spielen Wärmegenerierung und Dissipation auch eine große Rolle für Doppelschicht-Kondensator-Konzepte.Also when using double-layer capacitors, which has a can have very low internal resistance, internal losses not neglected become. For this reason, heat generation and dissipation play also a big one Role for Double-layer capacitor concepts.
Der Mindestabstand A zwischen zwei benachbarten Kondensatoren, bei demOf the Minimum distance A between two adjacent capacitors, in which
I.I.
- a. der Durchmesser d mindestens einer dieser Kondensatoren 45 bis 55mm, vorzugsweise 50mm, beträgt,a. the diameter d at least one of these Capacitors 45 to 55mm, preferably 50mm, is
- b. der andere Kondensator einen gleichen oder kleineren Durchmesser hat, liegt vorzugsweise zwischen 1,5 und 6,75 mm.b. the other capacitor has a same or smaller diameter is preferably between 1.5 and 6.75 mm.
II.II.
- a. mindestens einer dieser Kondensatoren einen Durchmesser d zwischen 70 und 80mm, vorzugsweise 75mm, beträgt,a. at least one of these capacitors one Diameter d is between 70 and 80mm, preferably 75mm,
- b. der andere Kondensator einen gleichen oder kleineren Durchmesser hat, liegt vorzugsweise zwischen 1,93 und 8,93mm.b. the other capacitor is the same or smaller diameter preferably is between 1.93 and 8.93mm.
III.III.
- a. mindestens einer dieser Kondensatoren einen Durchmesser d zwischen 85 und 95 mm, vorzugsweise 90 mm, beträgt,a. at least one of these capacitors one Diameter d is between 85 and 95 mm, preferably 90 mm,
- b. der andere Kondensator einen gleichen oder kleineren Durchmesser hat, liegt vorzugsweise zwischen 1,93 und 9,83 mmb. the other capacitor is the same or smaller diameter is preferably between 1.93 and 9.83 mm
Mit diesen Mindestabständen konnten und können die Temperaturen der einzelnen Kondensatoren um bis zu ca. 7 K reduziert werden. Die Temperaturreduzierung wurde bei
- – einem Laden und Entladen der Kondensatoren bei 75 A, welches eine Verlustleistung von 25W des Kondensatormoduls entspricht,
- – einem 150F/42V Modul, welches aus 18 Kondensatoren je 2,3 bis 2,7V Zellspannung besteht und damit einen gesamten Kapazitätswert von 2700F aufweist,
- – Umgebungsraumtemperaturen, beispielsweise bei 300 K, erreicht.
- Charging and discharging of the capacitors at 75 A, which corresponds to a power loss of 25 W of the capacitor module,
- A 150F / 42V module, which consists of 18 capacitors each 2.3 to 2.7V cell voltage and thus has a total capacitance value of 2700F,
- - Ambient room temperatures, for example at 300 K, achieved.
Es hat sich herausgestellt, dass mit den Mindestabständen eine Temperaturreduzierung auch für kleinere Module, wie z.B. Module aus 6 oder 12 Kondensatoren, erreicht werden kann. Die Reduzierung der Temperaturen um bis zu 7 K ist insbesondere im Vergleich zu einem Kondensatormodul zu verstehen, bei dem die Kondensatoren lediglich einen Abstand von weniger als 1,93 mm voneinander aufweisen. Ein so ausgebildetes Kondensatormodul besitzt einen so weit optimierten Wärmehaushalt, dass trotz der fehlenden Öffnungen des Modulgehäuses die beim Laden bzw. Entladen der Kondensatoren entstehende Wärme effektiv aus dem Modulgehäuseinneren abgeführt werden kann. Daher ist ein solches Kondensatormodul wegen der niedrigeren Innentemperaturen mit einer längeren Brauchbarkeitsdauer gekennzeichnet und kann noch bei höheren Außentemperaturen betrieben werden als Kondensatormodule mit geschlossenen Gehäusen ohne einen ausreichenden Abstand zwischen den Kondensatoren. Trotz der optimierten Wärmeabfuhr können Umwelteinflüsse von außen die im Kondensatormodul enthaltenen Kondensatoren nicht weiter beschädigen bzw. nach dem Ansprechen einer oder mehrerer Sollbruchstellen, beispielsweise durch extreme Überspannung der Kondensatoren, kann kein Elektrolyt aus dem Modulgehäuse nach außen gelangen.It has been found that with the minimum distances one Temperature reduction also for smaller modules, e.g. Modules of 6 or 12 capacitors achieved can be. The reduction of temperatures by up to 7 K is especially compared to a capacitor module to understand in which the capacitors only a distance of less than 1.93 mm apart. A capacitor module designed in this way has such a highly optimized heat balance that despite the missing openings of the module housing the heat generated when charging or discharging the capacitors effectively inside the module housing dissipated can be. Therefore, such a capacitor module is because of the lower internal temperatures with a longer one Useful life and can still at higher outdoor temperatures can be operated as capacitor modules with closed housings without a sufficient distance between the capacitors. Despite the optimized heat dissipation can Environmental influences of Outside Do not further damage the capacitors contained in the capacitor module or after the response of one or more predetermined breaking points, for example by extreme overvoltage the capacitors, no electrolyte from the module housing after Outside reach.
Die
Kondensatoren
Es wird bevorzugt, dass Kondensatoren mit einem Betriebsoptimum von zwischen 300 und 310K verwendet werden, bei dem sie über eine maximale Dauer bei einer bestimmten Frequenz entladbar sind.It It is preferred that capacitors with an optimum operating of between 300 and 310K, where they have one maximum duration at a certain frequency are dischargeable.
Eine
weitere Maßnahme,
um den thermischen Haushalt des Modulgehäuses zu optimieren, ist die
Verwendung von dunkelfarbi gen, beispielsweise schwarzen oder eloxierten
Kondensatorgehäusen
Zur
Verbesserung der Wärmeübertragung
vom Modulinneren nach außen
wird vorgeschlagen, den Deckel
Es
ist günstig,
wenn das Modulgehäuse
Mit einer ausreichenden Luftzirkulierung, insbesondere unter der Verwendung der genannten Ventilatoren, ist es möglich, die Temperaturen der Kondensatoren in den genannten Kondensatormodulen im bevorzugten Bereich von 310 K zu halten.With adequate air circulation, especially under use the mentioned fans, it is possible the temperatures of the Capacitors in said capacitor modules in the preferred Range of 310K.
Sollte das Kondensatormodul Isolierplatten zwischen den einzelnen Kondensatoren aufweisen, wird bevorzugt, dass diese entweder entfernt oder zumindest perforiert werden, damit eine möglichst ungehinderte Wärmekonvektion stattfinden kann.Should the capacitor module insulating plates between the individual capacitors It is preferred that these be either removed or at least be perforated so that as possible unhindered heat convection can take place.
Es
wird bevorzugt, dass das Modulgehäuse im Bereich B des Bodens
Eine
Kombination von Ausführungsformen
nach den
- 1. Es sind 18 Kondensatoren in einem 150F/42V Modul vorhanden (das Modul hat also einen Kapazitätswert von 2700F),
- 2. Die Kondensatoren weisen Emissionskoeffizienten von 0,4 bis 0,5 auf,
- 3. Die Temperaturen der Kondensatoren sind im Gleichgewichtszustand, d.h., die Kondensatoren werden solange mit 75 A (Verlustleistung von 25 W für das Modul) zykliert, bis diese eine konstante Temperatur erreichen,
- 4. Die Umgebungstemperatur liegt bei 300 K oder im unmittelbaren Bereich von 300 K.
- 1. There are 18 capacitors in a 150F / 42V module (so the module has a capacitance value of 2700F),
- 2. The capacitors have emission coefficients of 0.4 to 0.5,
- 3. The temperatures of the capacitors are in equilibrium state, ie the capacitors are cycled with 75 A (power dissipation of 25 W for the module) until they reach a constant temperature,
- 4. The ambient temperature is 300 K or in the immediate vicinity of 300 K.
In
- – die durch rhombusförmige Datenpunkte gekennzeichnete Kurve C1 die maximale Temperatur der Oberflächen von mindestens zwei Kondensatoren mit Durchmessern von 90 mm in Abhängigkeit des Abstands A zwischen den Kondensatoren,
- – die durch quadratische Datenpunkte gekennzeichnete Kurve C2 die maximale Temperatur der Oberflächen von mindestens zwei Kondensatoren mit Durchmessern von 75 mm in Abhängigkeit des Abstands A zwischen den Kondensatoren und
- – die durch dreieckige Datenpunkte gekennzeichnete Kurve C3 die maximale Temperatur der Oberflächen von mindestens zwei Kondensatoren mit Durchmessern von 50 mm in Abhängigkeit des Abstands A zwischen den Kondensatoren.
- The curve C1 marked by rhombic data points the maximum temperature of the surfaces of at least two capacitors with diameters of 90 mm as a function of the distance A between the capacitors,
- The curve C2 marked by square data points indicates the maximum temperature of the surfaces of at least two capacitors with diameters of 75 mm as a function of the distance A between the capacitors and
- The curve C3 indicated by triangular data points, the maximum temperature of the surfaces of at least two capacitors with diameters of 50 mm as a function of the distance A between the capacitors.
Der Wärmeabfluss über den Mantel des Kondensatorgehäuses beträgt für diese Kondensatoranordnung vorzugsweise 21W/m2.The heat transfer via the jacket of the capacitor housing is for this capacitor arrangement preferably 21W / m 2 .
Es ist erkennbar, wie der Durchmesser d eines Kondensators seine Temperatur und damit auch die Temperatur seines umgebenden Mediums beeinflusst. Die Temperaturen von Kondensatoren mit größeren Durchmessern sind bei gleichen Abständen zu einander höher als die Temperaturen von Kondensatoren mit den geringeren Durchmessern. Die drei Kurven Cl bis C3 sind dabei nicht nur relativ zueinander gleichmäßig verschoben, sondern vom Wesen bzw. der tatsächlichen Form her unterschiedlich. Daher wird klar, dass der optimale Abstand zwischen den Kondensatoren von deren jeweiligen Durchmessern abhängt.It can be seen how the diameter d of a capacitor its temperature and thus also affects the temperature of its surrounding medium. The temperatures of capacitors with larger diameters are included equal distances to each other higher as the temperatures of capacitors with the smaller diameters. The three curves Cl to C3 are not only relative to each other evenly shifted, but of the essence or the actual Shape different. Therefore it becomes clear that the optimal distance between the capacitors depends on their respective diameters.
Die
gestrichelte, horizontale Linie in
Es hat sich als besonders günstig herausgestellt, wenn α ein Wert zwischen 0.0007 und 0.00011, β ein Wert zwischen 0.06 und 0.01 und ϵ ein Wert zwischen 4 und 8 ist.It has proved to be particularly favorable exposed if α a Value between 0.0007 and 0.00011, β a value between 0.06 and 0.01 and ε is a value between 4 and 8.
Es
wird bevorzugt, dass die vorzugsweise mit dem Boden
- 11
- Modulgehäusemodule housing
- 22
- Boden des Modulgehäusesground of the module housing
- 33
- Seitenwand des ModulgehäusesSide wall of the module housing
- 44
- Deckel des Modulgehäusescover of the module housing
- 55
- Kondensatorcapacitor
- 66
- Kondensatorgehäusecapacitor case
- 77
- Ventilatorfan
- 88th
- Füllmedium eines Modulgehäusesfilling medium a module housing
- 8a8a
- Füllmedium in boden bzw. deckelseitigen Bereich des Mofilling medium in ground or cover-side area of Mo
- dulgehäuses dulgehäuses
- 99
- Richtung einer Luftströmungdirection an airflow
- BB
- boden- bzw. deckelseitiger Bereich eines Modulgehäusesground- or cover-side area of a module housing
- dd
- Durchmesser eines Kondensatorsdiameter a capacitor
- AA
- Mindestabstand zwischen zwei Kondensatorenminimum distance between two capacitors
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