DE102004045182B4 - capacitor module - Google Patents

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    • H01G11/82Fixing or assembling a capacitive element in a housing, e.g. mounting electrodes, current collectors or terminals in containers or encapsulations

Abstract

Kondensatormodul mit einem Modulgehäuse (1) und mehreren im Modulgehäuse angeordneten Kondensatoren (5), wobei
– das Modulgehäuse nach außen abgedichtet ist,
– das Modulgehäuse gut wärmeleitend ist, und
– wenigstens eine Stirnseite der Kondensatoren mit der gegenüberliegenden Seite des Modulgehäuses mittels eines gut wärmeleitenden Feststoffs (8a) mit dem Modulgehäuse thermisch verbunden ist,
– zwischen zwei benachbarten Kondensatoren ein vom Durchmesser der Kondensatoren abhängiger Mindestabstand (A) vorgesehen ist, durch dessen Einhaltung die Konvektion eines im Modulgehäuse enthaltenen Fluids erreichbar ist, wobei die Konvektion zur Entwärmung der Kondensatoren beiträgt.
Capacitor module with a module housing (1) and a plurality of capacitors (5) arranged in the module housing, wherein
The module housing is sealed to the outside,
- The module housing is good heat conducting, and
At least one end side of the capacitors is thermally connected to the opposite side of the module housing by means of a good heat-conducting solid (8a) with the module housing,
- Between two adjacent capacitors dependent on the diameter of the capacitors minimum distance (A) is provided by the compliance of the convection of a fluid contained in the module housing is reached, wherein the convection contributes to the heat dissipation of the capacitors.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Kondensatormodul.The The invention relates to a capacitor module.

Elektrochemische Doppel schichtkondensatoren 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 US 20030067735 A1 sind Kondensatoren bekannt, deren Deckel zwei Anschlüsse aufweisen, welche mittels einer Leiterplatte in Reihe miteinander geschaltet sind. Das Kondensatormodul bzw. die Kondensatoren werden aktiv mittels Ventilatoren gekühlt. Das Gehäuse besitzt Öffnungen, durch die Luft eintreten kann.Out US 20030067735 A1 Capacitors are known whose lids have two terminals, which are connected in series by means of a printed circuit board. The capacitor module or capacitors are actively cooled by means of fans. The housing has openings through which air can enter.

Aus EP 1178558 A2 ist ein Kondensatormodul bekannt, dessen Kondensatoren von Luft umströmt werden.Out EP 1178558 A2 is known a capacitor module, the capacitors are flowed around by air.

Aus JP 11-054356 ist ein Kondensatormodul bekannt, dessen Kondensatoren von einer Flüssigkeit umgeben sind.Out JP 11-054356 a capacitor module is known, the capacitors are surrounded by a liquid.

Aus DE 10124435 A1 ist ein Kondensator mit einem Gehäuse bekannt, wobei das Gehäuse des Kondensators von einem Kühlflüssigkeitsmantel umgeben ist.Out DE 10124435 A1 a capacitor is known with a housing, wherein the housing of the capacitor is surrounded by a coolant jacket.

Aus DE 3835484 A1 ist ein vergossener Kondensator mit Kondensatorelementen bekannt, die in mit einem isolierenden Fluid gefüllten Innengehäusen sitzen.Out DE 3835484 A1 For example, a molded capacitor having capacitor elements that are housed in insulating housings filled with an insulating fluid is known.

Aus DE 10 2004 035 810 A1 ist ein Kondensatormodul bekannt, bei dem eine mit einem Kondensator in Verbindung stehende Wärmekontaktfläche mittels einer Masse mit einer Gehäusefläche verbunden ist. Damit soll die Ableitung von Verlustwärme an die Umgebung verbessert werden.Out DE 10 2004 035 810 A1 For example, a capacitor module is known in which a heat contact surface connected to a capacitor is connected to a housing surface by means of a mass. This should improve the dissipation of heat loss to the environment.

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.

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 capacitor module is proposed, comprising:
  • 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. 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.By means of the module housing sealed to the outside, the capacitors can be protected from external influences, such. As dust, oil, water and touch, are protected. In addition, advantageously, an emerging from the capacitors electrolyte, for example, when the capacitors were overloaded, in Module housing and thus can not escape to the outside. This is also the case when the capacitors are equipped with additional predetermined breaking points, which are triggered when overcharging the capacitor to break off the current to the capacitor and / or to allow the electrolyte escape as controlled as possible.

Das Kondensatormodul wird vorzugsweise dadurch erweitert, dass ein Mindestabstand zwischen zwei benachbarten Kondensatoren in einem Bereich liegt, welcher nach der Formel A = αd2 – βd + ε (1) bestimmt wird, wobei A der Mindestabstand in mm, d der querschnittliche, maximale Durchmesser des größeren Kondensators in mm, α ein Wert zwischen 0,0003 und 0,015, β ein Wert zwischen 0,05 und 0,1 und ε ein Wert zwischen 4 und 8 ist. Bei der Einhaltung eines solchen Mindestabstands zwischen zwei benachbarten Kondensatoren wird vorteilhafterweise erreicht, dass ein zwischen den Kondensatoren befindliches Medium, im Falle dass es ein Gas, eine Flüssigkeit, amorph oder zumindest ein innerhalb des Kondensatormoduls bewegliches Medium ist, sich durch das gesamte Kondensatormodul bewegen kann, zwischen den Kondensatoren nicht hängen bleibt und/oder dort kein Wärmestau entsteht. Eine Wärmekonvektion innerhalb des Kondensatormoduls ist daher erreichbar, welche insbesondere zur Temperaturstabilisierung der Kondensatoren beiträgt.The capacitor module is preferably expanded in that a minimum distance between two adjacent capacitors lies in a range which corresponds to the formula A = αd 2 - βd + ε (1) where A is the minimum distance in mm, d is the cross-sectional maximum diameter of the larger capacitor in mm, α is a value between 0.0003 and 0.015, β is a value between 0.05 and 0.1 and ε is a value between 4 and 8 is. In the maintenance of such a minimum distance between two adjacent capacitors is advantageously achieved that a medium located between the capacitors, in the case that it is a gas, a liquid, amorphous or at least one movable within the capacitor module medium, can move through the entire capacitor module , does not get stuck between the capacitors and / or there is no heat buildup. A heat convection within the capacitor module is therefore achievable, which contributes in particular to the temperature stabilization of the capacitors.

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 Fluid, teilweise oder vollständig gefüllt ist, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als Luft. Eine Abkühlung der Kondensatoren bzw. eine Wärmeableitung von den Kondensatoren nach außen kann insbesondere gefördert werden, wenn ein Medium, das eine Vergussmasse ist, welche beispielsweise Polyurethan enthält, die Kondensatoren gut wärmeleitend mit dem Modulgehäuse verbindet.It it is preferred that the space between the adjacent capacitors is filled with a fluid, partially or completely, which has a higher thermal conductivity has as air. A cool down the capacitors or a heat dissipation from the capacitors to the outside can be promoted in particular, if a medium that is a potting compound, for example Contains polyurethane, the capacitors have good thermal conductivity with the module housing combines.

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:

1 ein Kondensatormodul, in dem Kondensatoren enthalten sind, welche einen bestimmten Abstand A voneinander haben, 1 a capacitor module in which capacitors are contained, which have a certain distance A from each other,

2 ein Kondensatormodul, bei dem im Modulgehäuse Ventilatoren angeordnet sind, 2 a capacitor module in which fans are arranged in the module housing,

3 ein Kondensatormodul, bei dem die Räume zwischen den Kondensatoren sowie zwischen den Kondensatoren und dem Modulgehäuse zumindest teilweise mit einem Medium gefüllt sind, 3 a capacitor module in which the spaces between the capacitors and between the capacitors and the module housing are at least partially filled with a medium,

4 eine Grafik zur Darstellung der optimalen Abstände zwischen Kondensatoren mit unterschiedlichen Durchmessern bei unterschiedlichen Temperaturen, 4 a graph showing the optimal distances between capacitors with different diameters at different temperatures,

5 eine Grafik zur Darstellung der optimalen Abstände zwischen Kondensatoren gegenüber ihren unterschiedlichen Durchmessern. 5 a graph showing the optimal distances between capacitors versus their different diameters.

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.

1 zeigt ein Kondensatormodul mit einem Modulgehäuse 1, in dem mehrere Kondensatoren reihen- und spaltenmäßig angeordnet sind. Die Kondensatoren können dabei in Paaren vorhanden sein. Die mittels eines Mindestabstands A voneinander getrennten und mit Kondensatorgehäusen 6 ausgebildeten Kondensatoren 5, jeweils mit Durchmessern d, sind vorzugsweise mit einer Stirnseite mit dem Boden 2 des Modulgehäuses mittels Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung flächig verbunden. Das Modulgehäuse umfasst einen Deckel 4, einen Boden 2 und Seitenwände bzw. einen Mantel 3. Es wird bevorzugt, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Kondensatoren gemäß der genannten Formel (1) gewählt ist. Die Kondensatoren sind vorzugsweise zwischen 170 mm und 50 mm hoch. 1 shows a capacitor module with a module housing 1 in which a plurality of capacitors are arranged in rows and columns. The capacitors can be present in pairs. The separated by a minimum distance A from each other and with capacitor housings 6 trained capacitors 5 , each with diameters d, are preferably one end face to the bottom 2 the module housing by means of gluing, welding or screw connection flat. The module housing includes a lid 4 , a floor 2 and side walls or a coat 3 , It is preferred that the distance between two adjacent capacitors according to said formula (1) is chosen. The capacitors are preferably between 170 mm and 50 mm high.

Der Mindestabstand A zwischen zwei benachbarten Kondensatoren, bei dem

  • I.
  • a. der Durchmesser d mindestens einer dieser Kondensatoren 45 bis 55 mm, vorzugsweise 50 mm, beträgt,
  • b. der andere Kondensator einen gleichen oder kleineren Durchmesser hat, liegt vorzugsweise zwischen 1,5 und 6,75 mm.
  • II.
  • a. mindestens einer dieser Kondensatoren einen Durchmesser d zwischen 70 und 80 mm, vorzugsweise 75 mm, beträgt,
  • b. der andere Kondensator einen gleichen oder kleineren Durchmesser hat, liegt vorzugsweise zwischen 1,93 und 8,93 mm.
  • III.
  • a. mindestens einer dieser Kondensatoren einen Durchmesser d zwischen 85 und 95 mm, vorzugsweise 90 mm, beträgt,
  • b. der andere Kondensator einen gleichen oder kleineren Durchmesser hat,
liegt vorzugsweise zwischen 1,93 und 9,83 mmThe minimum distance A between two adjacent capacitors, in which
  • I.
  • a. the diameter d of at least one of these capacitors is 45 to 55 mm, preferably 50 mm,
  • b. the other capacitor has the same or smaller diameter is preferably between 1.5 and 6.75 mm.
  • II.
  • a. at least one of these capacitors has a diameter d between 70 and 80 mm, preferably 75 mm,
  • b. the other capacitor has a same or smaller diameter is preferably between 1.93 and 8.93 mm.
  • III.
  • a. at least one of these capacitors has a diameter d between 85 and 95 mm, preferably 90 mm,
  • b. the other capacitor has 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 25 W des Kondensatormoduls entspricht,
  • – einem 150 F/42 V Modul, welches aus 18 Kondensatoren je 2,3 bis 2,7 V Zellspannung besteht und damit einen gesamten Kapazitätswert von 2700 F aufweist,
  • – Umgebungsraumtemperaturen, beispielsweise bei 300 K, erreicht.
With these minimum distances, the temperatures of the individual capacitors could and can be reduced by up to approx. 7 K. The temperature reduction was at
  • Charging and discharging of the capacitors at 75 A, which corresponds to a power loss of 25 W of the capacitor module,
  • A 150 F / 42 V module, which consists of 18 capacitors each 2.3 to 2.7 V cell voltage and thus has a total capacitance value of 2700 F,
  • - 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 Kondensato ren. 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, such. B. 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 condensers Ren. 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 5 können für den Spannungsausgleich untereinander mit in der Figur nicht gezeigten Symmetrierungen parallel miteinander verbunden sein. Dabei wird bevorzugt, dass die Symmetrierungen entweder thermisch mit dem Modulgehäuse 1 verbunden oder außerhalb des Modulgehäuses befestigt werden. Somit wird gewährleistet, dass die über die Symmetrierungswiderstände fließenden Symmetrierströme nicht (bei Positionierung außerhalb des Modulgehäuses) oder nur geringfügig (bei Positionierung im Modulgehäuse mit thermischer Anbindung an das Modulgehäuse) zur Erwärmung des Kondensatormoduls beitragen.The capacitors 5 can be connected in parallel with each other with the symmetries not shown in the figure for the voltage balance. It is preferred that the symmetries either thermally with the module housing 1 connected or attached outside the module housing. This ensures that the balancing currents flowing through the balancing resistors do not contribute to the heating of the capacitor module (when positioned outside the module housing) or only slightly (when positioned in the module housing with thermal connection to the module housing).

Es wird bevorzugt, dass Kondensatoren mit einem Betriebsoptimum von zwischen 300 und 310 K 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 be used between 300 and 310 K, where they have a maximum duration at a certain frequency are dischargeable.

Eine weitere Maßnahme, um den thermischen Haushalt des Modulgehäuses zu optimieren, ist die Verwendung von dunkelfarbigen, beispielsweise schwarzen oder eloxierten Kondensatorgehäusen 6 mit thermischen Emissionskoeffizienten E von mindestens 0,4, vorzugsweise 0,5. Durch diese Maßnahme wird der thermische Emissionskoeffizient der Kondensatoren 5 verbessert, sodass die durch die Kondensatoren entstandene Wärme effektiver nach außen oder zumindest zum Modulgehäuse 1 über tragen werden kann. Der thermische Emissionskoeffizient E ist der Proportionalitätsfaktor, der einen Zusammenhang zwischen der abgestrahlten Wärme pro Flächeneinheit Q/A des Wärmeerzeugenden Mediums bzw. Kondensators und seiner Temperatur T darstellt, wobei Q/A = E·σ·T4 und σ die Bolzmannkonstante ist.Another measure to optimize the thermal budget of the module housing is the use of dark colored, such as black or anodized capacitor housings 6 with thermal emission coefficients E of at least 0.4, preferably 0.5. By this measure, the thermal emission coefficient of the capacitors 5 improves, so that the heat generated by the capacitors more effective to the outside or at least to the module housing 1 can be carried over. The thermal emission coefficient E is the proportionality factor, which is a relationship between the radiated heat per unit area Q / A of the heat generating medium or capacitor and its Temperature T, where Q / A = E · σ · T 4 and σ is the Bolzmann constant.

Zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom Modulinneren nach außen wird vorgeschlagen, den Deckel 4 des Modulgehäuses 1 oder zumindest einen Teil des Deckels, vorzugsweise die äußere Oberfläche, aus einem Material zu gestalten, welches eine gute Wärmeleitung besitzt. Das Material ist vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung, welches vorzugsweise Aluminium enthält. Der Deckel kann aber auch eloxiert und/oder dunkelfarbig sein und weist vorzugsweise flächenvergrößernde Strukturen auf, wie beispielsweise Rippenstrukturen. Mit diesen Eigenschaften sollte der Deckel dann vorzugsweise einen Emissionskoeffizienten von größer als 0,4 besitzen. Damit kann die Wärme aus dem Modulinneren besonders gut abgeleitet werden.To improve the heat transfer from the inside of the module to the outside is proposed, the lid 4 of the module housing 1 or at least a part of the lid, preferably the outer surface, to be made of a material having a good heat conduction. The material is preferably a metal or a metal alloy, which preferably contains aluminum. The lid can also be anodized and / or dark-colored and preferably has surface-enlarging structures, such as rib structures. With these properties, the lid should then preferably have an emission coefficient of greater than 0.4. Thus, the heat from the inside of the module can be dissipated particularly well.

Es ist günstig, wenn das Modulgehäuse 1 zumindest teilweise, wie beispielsweise die Seitenwände 3 oder der Boden 2, solche genannten Material- und Struktureigenschaften aufweist wie der Deckel.It is convenient if the module housing 1 at least in part, such as the sidewalls 3 or the ground 2 , such mentioned material and structural properties as the lid.

2 zeigt ein geschlossenes Modulgehäuse 1, in dem mindestens ein Ventilator 7 mit einer Glasrichtung 9 in etwa parallel zu den Längsachsen der Kondensatoren 5 angeordnet ist. Der mindestens eine Ventilator 7 weist eine Ansaugfläche auf, welche von der Innenwand des Modulgehäuses ausreichend entfernt ist, um möglichst viel Gas oder Luft ansaugen und be fördern zu können. Mittels der Ventilatoren wird die Wärmekonvektion im Modulgehäuse wesentlich verbessert, sodass die durch die Kondensatoren 5 entstandene Wärme effektiv zum Modulgehäuse transportiert werden kann. Vorzugsweise werden mehrere Ventilatoren verwendet, um den Stau der Luftströme in den engsten Räumen zwischen den Kondensatoren besser auszugleichen und eine insgesamt größere Luftströmung zwischen den Kondensatoren zu erreichen. Es können Ventilatoren, wie sie beispielsweise in Computergehäusen verwendet werden, zum Einsatz kommen. Der durch den Ventilator erzeugte Druck kann dabei im Bereich von 20 Pascal liegen. 2 shows a closed module housing 1 in which at least one fan 7 with a glass direction 9 approximately parallel to the longitudinal axes of the capacitors 5 is arranged. The at least one fan 7 has a suction surface, which is sufficiently removed from the inner wall of the module housing to suck as much gas or air and be able to promote be. By means of the fans, the heat convection in the module housing is significantly improved, so that the through the capacitors 5 resulting heat can be effectively transported to the module housing. Preferably, multiple fans are used to better balance the congestion of the airflows in the narrowest spaces between the condensers and to achieve an overall greater airflow between the condensers. It can be fans, such as those used in computer housings, are used. The pressure generated by the fan can be in the range of 20 Pascals.

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.

Gemäß einer Ausführungsform des Kondensatormoduls weist es Isolierplatten zwischen den einzelnen Kondensatoren auf. Dabei wird allerdings bevorzugt, dass diese zumindest perforiert werden, damit eine möglichst ungehinderte Wärmekonvektion stattfinden kann.According to one embodiment of the capacitor module, it has insulating plates between the individual Capacitors on. However, it is preferred that these at least be perforated so that as possible unhindered heat convection can take place.

3 zeigt ein Modulgehäuse 1, welches zumindest teilweise mit einem Medium 8, 8a gefüllt ist, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit besitzt als Luft. Das Modulgehäuse ist vorzugsweise im bodenseitigen Bereich B mit dem wärmeleitenden Feststoff 8a ausgefüllt. Das Medium 8a kann beispielsweise eine feste oder sich verfestigbare Polyurethan-Vergussmasse sein. Damit wird ein Teil der Kondensatoroberflächen 6 im Bereich B des Modulgehäusebodens 2, insbesondere der bodenseitigen Stirnseiten der Kondensatoren, thermisch direkt mit dem Mo dulgehäuse verbunden, sodass die entstandene Wärme über das Modulgehäuse nach außen abgeführt bzw. abgeleitet werden kann. Das Modulgehäuse kann auch deckelseitig in gleicher Art mit dem Medium gefüllt werden, um den deckelseitigen Teil der Kondensatoroberflächen thermisch direkt mit dem Modulgehäuse zu verbinden. 3 shows a module housing 1 , which at least partially with a medium 8th . 8a is filled, which has a better thermal conductivity than air. The module housing is preferably in the bottom area B with the heat-conductive solid 8a filled. The medium 8a For example, it may be a solid or solidifiable polyurethane potting compound. This will become part of the capacitor surfaces 6 in area B of the module housing floor 2 , in particular the bottom-side end faces of the capacitors, thermally connected directly to the dulgehäuse Mo, so that the resulting heat can be dissipated via the module housing to the outside or derived. The module housing can also be filled on the cover side in the same way with the medium to thermally connect the cover-side part of the capacitor surfaces directly to the module housing.

Es wird bevorzugt, dass das Modulgehäuse im Bereich B des Bodens 2 oder Deckels 4 in einer Höhe von B = 20 mm mit einer Vergussmasse gefüllt ist, welche eine Wärmeleitfähigkeit von 0,7 W/m·K aufweist. Weiterhin kann der gesamte Raum zwischen den Kondensatoren und den Innenwänden des Modulgehäuses mit einem Medium 8 der genannten Art gefüllt werden, wobei das Medium ein Fluid in der Form eines Gases oder einer Flüssigkeit sein kann. Damit kann gleichzeitig eine Wärmekonvektion und eine Wärmeableitung erreicht werden. Im Falle, dass eine Flüssigkeit verwendet wird, können die Ventilatoren 7 mit Pumpen ersetzt werden.It is preferred that the module housing in area B of the floor 2 or lids 4 is filled at a height of B = 20 mm with a potting compound, which has a thermal conductivity of 0.7 W / m · K. Furthermore, the entire space between the capacitors and the inner walls of the module housing with a medium 8th be filled of the type mentioned, wherein the medium may be a fluid in the form of a gas or a liquid. This can be achieved at the same time a heat convection and heat dissipation. In the event that a liquid is used, the fans can 7 be replaced with pumps.

Eine Kombination von Ausführungsformen nach den 2 und 3 ist natürlich auch möglich, sodass gleichzeitig eine Luftzirkulation zwischen den Kondensatoren des Modulgehäuses mittels der Ventilatoren 7 und eine Wärmeableitung mittels der Vergussmassen 8 bzw. 8a erreicht werden kann.A combination of embodiments according to the 2 and 3 is of course also possible, so that at the same time an air circulation between the capacitors of the module housing by means of the fans 7 and heat dissipation by means of the potting compounds 8th respectively. 8a can be achieved.

4 zeigt den Zusammenhang zwischen den Abständen zwischen zwei Kondensatoren und deren jeweiligen Temperaturen unter folgenden Voraussetzungen:

  • 1. Es sind 18 Kondensatoren in einem 150 F/42 V Modul vorhanden (das Modul hat also einen Kapazitätswert von 2700 F),
  • 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.
4 shows the relationship between the distances between two capacitors and their respective temperatures under the following conditions:
  • 1. There are 18 capacitors in a 150 F / 42 V module (so the module has a capacitance value of 2700 F),
  • 2. The capacitors have emission coefficients of 0.4 to 0.5,
  • 3. The temperatures of the capacitors are in equilibrium, ie the capacitors are cycled with 75 A (power loss 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 4 zeigt:

  • – 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.
In 4 shows:
  • 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 21 W/m2.The heat transfer via the jacket of the capacitor housing is preferably 21 W / m 2 for this capacitor arrangement.

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 zueinander höher als die Temperaturen von Kondensatoren mit den geringeren Durchmessern. Die drei Kurven C1 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 higher to each other as the temperatures of capacitors with the smaller diameters. The three curves C1 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 4 zeigt eine optimale Temperatur eines Kondensators bei 306 K, wobei bei dieser Temperatur folgende optimale Abstände zwischen den Kondensatoren gefunden wurden: Durchmesser Optimaler Abstand 50 mm 4,6 mm 75 mm 5,5 mm 90 mm 6,6 mm The dashed, horizontal line in 4 shows an optimal temperature of a capacitor at 306 K, at which temperature the following optimal distances between the capacitors were found: diameter Optimal distance 50 mm 4.6 mm 75 mm 5.5 mm 90 mm 6,6 mm

5 zeigt unter der Berücksichtigung der zu 4 angegebenen Randbedingungen das Verhältnis zwischen dem Durchmesser d eines Kondensators und dem optimalen Abstand des Kondensators zu einem weiteren. Die auf der Kurve markierten Punkte entsprechen den Kreuzungspunkten der in 4 gezeigten, gestrichelten Linie der optimalen Temperatur mit den dort gezeigten drei Kurven C1 bis C3. 5 shows under consideration of the too 4 specified boundary conditions, the ratio between the diameter d of a capacitor and the optimal distance of the capacitor to another. The points marked on the curve correspond to the crossing points of the in 4 shown, dashed line of the optimum temperature with the three curves shown here C1 to C3.

5 zeigt, wie eine Erhöhung eines Kondensatordurchmessers zu höheren Temperaturen führt und damit ein größerer Abstand zwischen ihm und einem weiteren Kondensator nötig wird. Das Verhältnis des optimalen Abstands zwischen zwei Kondensatoren und deren Durchmessern verhält sich dabei quadratisch, und zwar insbesondere nach der genannten Formel A = αd2 – βd + ε, wobei A den Mindestabstand zwischen zwei Kondensatoren angibt und d der maximale Durchmesser des größeren Kondensators in mm ist. Falls die Kondensatoren den gleichen Durch messer aufweisen, wird der Wert dieses Durchmessers genommen. Falls die Kondensatoren jeweils unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wird der Mindestabstand A zwischen dem Bereich seines maximalem Querschnitts des Kondensators und denselben Bereich des weiteren Kondensators gemessen. Da aber vorzugsweise zylinderförmige Kondensatoren verwendet werden, ist der Durchmesser des Kondensators gleichzeitig sein maximaler Durchmesser. Der Mindestabstand zwischen den Kondensatoren würde in diesem Falle den Mindestabstand zwischen den Mänteln 6 der Kondensatoren entsprechen. α ist vorzugsweise ein Wert zwischen 0,0003 und 0,015, β ein Wert zwischen 0,05 und 0,11 und ε ein Wert zwischen 4 und 8. 5 shows how increasing a condenser diameter leads to higher temperatures and thus requires a greater distance between it and another condenser. The ratio of the optimum distance between two capacitors and their diameters behaves quadratically, in particular according to the above formula A = αd 2 - βd + ε, where A indicates the minimum distance between two capacitors and d the maximum diameter of the larger capacitor in mm is. If the capacitors have the same diameter, the value of this diameter is taken. If the capacitors each have different diameters, the minimum distance A between the region of its maximum cross section of the capacitor and the same region of the further capacitor is measured. However, since preferably cylindrical capacitors are used, the diameter of the capacitor is at the same time its maximum diameter. The minimum distance between the capacitors in this case would be the minimum distance between the sheaths 6 correspond to the capacitors. α is preferably a value between 0.0003 and 0.015, β a value between 0.05 and 0.11 and ε a value between 4 and 8.

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 Value is between 4 and 8.

Es wird bevorzugt, dass die vorzugsweise mit dem Boden 2 des Modulgehäuses verbundenen Stirnseiten der Kondensatoren 56 bis 76%, insbesondere 66%, der Gesamtfläche des Bodens des Modulgehäuses ausmachen.It is preferred that the preferably with the ground 2 of the module housing connected end faces of the capacitors 56 to 76%, in particular 66%, make up the total area of the bottom of the module housing.

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
Fluid im Modulgehäusefluid in the module housing
8a8a
Feststoff im boden- bzw. deckelseitigen Bereich des Modulgehäusessolid fuel in the bottom or cover-side area of the module housing
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

Claims (21)

Kondensatormodul mit einem Modulgehäuse (1) und mehreren im Modulgehäuse angeordneten Kondensatoren (5), wobei – das Modulgehäuse nach außen abgedichtet ist, – das Modulgehäuse gut wärmeleitend ist, und – wenigstens eine Stirnseite der Kondensatoren mit der gegenüberliegenden Seite des Modulgehäuses mittels eines gut wärmeleitenden Feststoffs (8a) mit dem Modulgehäuse thermisch verbunden ist, – zwischen zwei benachbarten Kondensatoren ein vom Durchmesser der Kondensatoren abhängiger Mindestabstand (A) vorgesehen ist, durch dessen Einhaltung die Konvektion eines im Modulgehäuse enthaltenen Fluids erreichbar ist, wobei die Konvektion zur Entwärmung der Kondensatoren beiträgt.Capacitor module with a module housing ( 1 ) and a plurality of capacitors arranged in the module housing ( 5 ), wherein - the module housing is sealed to the outside, - the module housing is good heat-conducting, and - at least one end side of the capacitors with the opposite side of the module housing by means of a good heat-conducting solid ( 8a ) is thermally connected to the module housing, - between two adjacent capacitors dependent on the diameter of the capacitors minimum distance (A) is provided by the compliance of the convection of a fluid contained in the module housing is reached, the convection contributes to the cooling of the capacitors. Kondensatormodul nach Anspruch 1, bei dem der gut wärmeleitende Feststoff (8a) eine Vergussmasse ist.Capacitor module according to Claim 1, in which the good heat-conducting solid ( 8a ) is a potting compound. Kondensatormodul nach Anspruch 2, bei dem die Vergussmasse Polyurethan ist.Capacitor module according to claim 2, wherein the potting compound Polyurethane is. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kondensatoren (5) mit Symmetrierungen verschaltet sind, wobei die Symmetrierungen thermisch mit dem Modulgehäuse (1) verbunden sind.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the capacitors ( 5 ) are connected to balances, wherein the balances thermally with the module housing ( 1 ) are connected. Kondensatormodul nach Anspruch 4, bei dem die Symmetrierungen außerhalb des Modulgehäuses (1) befestigt sind.Capacitor module according to Claim 4, in which the balances outside the module housing ( 1 ) are attached. Kondensatormodul nach Anspruch 4, bei dem die Symmetrierungen innerhalb des Modulgehäuses (1) befestigt und thermisch an das Gehäuse angebunden sind.Capacitor module according to Claim 4, in which the balances within the module housing ( 1 ) and thermally connected to the housing. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das wärmeleitende Fluid ein Gas ist.Capacitor module according to one of the preceding claims, in the thermally conductive Fluid is a gas. Kondensatormodul nach Anspruch 7, bei dem im Modulgehäuse ein Ventilator (7) zur Zirkulation des Gases angeordnet ist.Capacitor module according to Claim 7, in which a fan (in the module housing) 7 ) is arranged for the circulation of the gas. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–6, bei dem das wärmeleitende Fluid eine Flüssigkeit ist.Capacitor module according to one of the preceding claims 1-6, at the thermally conductive Fluid a fluid is. Kondensatormodul nach Anspruch 9, bei dem im Modulgehäuse (1) eine Pumpe zur Zirkulation der Flüssigkeit (8) angeordnet ist.Capacitor module according to Claim 9, in which in the module housing ( 1 ) a pump for the circulation of the liquid ( 8th ) is arranged. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mindestabstand (A) zwischen zwei benachbarten Kondensatoren in einem Bereich liegt, welcher nach der Formel A = αd2 – βd + εbestimmt wird, wobei A der Mindestabstand in mm, d der querschnittliche, maximale Durchmesser des größeren Kondensators in mm, α ein Wert zwischen 0,0003 und 0,015, β ein Wert zwischen 0,05 und 0,1 und ε ein Wert zwischen 4 und 8 ist, wobei die Durchmesser der einzelnen Kondensatoren zwischen 45 mm und 95 mm liegen.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the minimum distance (A) between two adjacent capacitors lies in a range which corresponds to the formula A = αd 2 - βd + ε where A is the minimum distance in mm, d is the cross-sectional maximum diameter of the larger capacitor in mm, α is a value between 0.0003 and 0.015, β is a value between 0.05 and 0.1 and ε is a value between 4 and 8, wherein the diameters of the individual capacitors are between 45 mm and 95 mm. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kondensatoren (5) bei einer Temperatur zwischen 300 K und 310 K ihr Betriebsoptimum aufweisen, bei dem sie über eine maximale Dauer bei einer bestimmten Frequenz entladbar sind.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the capacitors ( 5 ) at a temperature between 300 K and 310 K have their optimum operating at which they can be discharged over a maximum duration at a certain frequency. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kondensatoren (5) zylinderförmig sind.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the capacitors ( 5 ) are cylindrical. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kondensatoren (5) mit Kondensatorgehäusen (6) ausgebildet sind, welche thermische Emissionskoeffizienten von zumindest 0,4 aufweisen.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the capacitors ( 5 ) with capacitor housings ( 6 ) are formed, which have thermal emission coefficients of at least 0.4. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kondensatoren (5) mit einer Stirnseite mit dem Boden des Modulgehäuses (1) flächig verbunden sind.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the capacitors ( 5 ) with one end face with the bottom of the module housing ( 1 ) are connected flat. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem das Modulgehäuse (1) einen Deckel (4) aufweist.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the module housing ( 1 ) a lid ( 4 ) having. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Modulgehäuse (1) zumindest teilweise einen thermischen Emissionskoeffizienten von größer oder gleich 0,4 aufweist.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the module housing ( 1 ) at least partially has a thermal emission coefficient of greater than or equal to 0.4. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Modulgehäuse (1) zumindest teilweise eloxiert ist.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the module housing ( 1 ) is at least partially anodized. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Modulgehäuse zumindest teilweise eine Rippenstruktur aufweist.Capacitor module according to one of the preceding claims, in the module housing at least partially has a rib structure. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Modulgehäuse aus einem der folgenden Materialien besteht: Metall, Metalllegierung, Aluminium.Capacitor module according to one of the preceding claims, in the module housing consists of one of the following materials: metal, metal alloy, Aluminum. Kondensatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kondensatoren (5) Doppelschichtkondensatoren sind.Capacitor module according to one of the preceding claims, in which the capacitors ( 5 ) Are double-layer capacitors.
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