DE102013216941B4 - Cooled capacitor arrangement and use of such - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Kondensatoranordnung (1) mit einem Folienkondensator (2) und mit mindestens einem Kühlelement (3) zur Kühlung des Folienkondensators (2) angegeben. Ein Kondensatorkörper (6) des Folienkondensators (2) ist durch eine alternierende Schichtung von dielektrischen Kunststoffschichten (10) und elektrisch leitfähigen Metallschichten (11) gebildet. Erfindungsgemäß ist in den Kondensatorkörper (6) mindestens eine als Bohrung hergestellte Ausnehmung (31) mit kreisrundem Querschnitt oder eine durch Fräsen hergestellte Ausnehmung (31) eingebracht, wobei das mindestens eine Kühlelement (3) in der Ausnehmung (31) einliegt und unmittelbar an dem Kondensatorkörper (6) anliegt.A capacitor arrangement (1) with a film capacitor (2) and with at least one cooling element (3) for cooling the film capacitor (2) is specified. A capacitor body (6) of the film capacitor (2) is formed by an alternating layering of dielectric plastic layers (10) and electrically conductive metal layers (11). According to the invention, at least one recess (31) having a circular cross-section or a recess (31) produced by milling is introduced into the capacitor body (6), wherein the at least one cooling element (3) rests in the recess (31) and directly on the Capacitor body (6) is applied.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kondensatoranordnung, aufweisend einen Folienkondensator sowie mindestens ein Kühlelement, sowie auf die Verwendung einer solchen Kondensatoranordnung als gekühlten Zwischenkreiskondensator, vorzugsweise bei einem Pulswechselrichter im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs.The invention relates to a capacitor arrangement, comprising a film capacitor and at least one cooling element, as well as to the use of such a capacitor arrangement as a cooled intermediate circuit capacitor, preferably in a pulse inverter in the drive train of an electric vehicle.

Der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs – sei es ein reines Elektrofahrzeug oder ein Fahrzeug mit Hybridantrieb – umfasst typischerweise eine (Hochvolt-)Batterie, einen Elektromotor sowie einen (Puls-)Wechselrichter (Inverter) zur Umrichtung der von der Batterie gelieferten Gleichspannung in die zum Antrieb des Elektromotors erforderliche – meist mehrphasige – Wechselspannung. Dem Wechselrichter ist als Energiepuffer üblicherweise ein Zwischenkreiskondensator zugeordnet.The powertrain of an electric vehicle - be it a pure electric vehicle or a vehicle with hybrid drive - typically includes a (high voltage) battery, an electric motor and a (pulse) inverter (inverter) for converting the DC voltage supplied by the battery in the for driving the Electric motor required - usually multi-phase - AC voltage. The inverter is usually associated with an intermediate circuit capacitor as an energy buffer.

Ein solcher Zwischenkreiskondensator ist meist als (Kunststoff-)Folienkondensator ausgebildet, der als Kondensatorkörper einen Stapel von metallisch beschichteten Kunststofffolien umfasst. Dieser Kondensatorkörper wird üblicherweise über zwei entgegengesetzte, metallisierte Seitenflächen (Schoop-Flächen) elektrisch kontaktiert. Diese Schoopflächen können wiederum mit metallischen Anschlussplatten leitend verbunden, insbesondere verlötet sein.Such a DC link capacitor is usually designed as a (plastic) film capacitor, which comprises a stack of metallically coated plastic films as the capacitor body. This capacitor body is usually electrically contacted via two opposite, metallized side surfaces (Schoop surfaces). These Schoopflächen can in turn conductively connected to metallic terminal plates, in particular soldered.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass sich die als Zwischenkreiskondensatoren eingesetzten Folienkondensatoren stark erwärmen.The invention is based on the problem that the film capacitors used as DC link capacitors heat up strongly.

Die Entwärmung der Kondensatoren erfolgt bisher vorrangig durch Wärmeleitung über die elektrischen Anschlüsse oder oberflächig aufgebrachte Kühlplatten sowie ferner durch oberflächige Wärmeabstrahlung in die Umgebung. Hierdurch können zwar die oberflächennahen Bereiche des Kondensatorkörpers effektiv gekühlt werden. Aufgrund der vergleichsweise schlechten Wärmeleitfähigkeit des Folienstapels kann das Innere des Kondensatorkörpers aber nur schlecht entwärmt werden. Hierdurch bilden sich häufig besonders heiße Bereiche (Hot Spots) im Inneren des Folienstapels, die die Leistung des Kondensators, und damit die Leistung des angeschlossenen Pulswechselrichters beschränken. Tatsächlich ist die Überhitzung der heute eingesetzten Kondensatoren ein wesentliches Hindernis bei einer Leistungssteigerung von Antriebssystemen für Elektrofahrzeuge.The cooling of the capacitors has hitherto been primarily by heat conduction via the electrical connections or surface applied cooling plates and also by surface heat radiation into the environment. As a result, although the near-surface regions of the capacitor body can be effectively cooled. Due to the comparatively poor thermal conductivity of the film stack, the interior of the capacitor body can be only badly cooled. As a result, particularly hot areas (hot spots) are formed inside the film stack, which limit the performance of the capacitor, and thus the performance of the connected pulse inverter. In fact, the overheating of capacitors in use today is a major obstacle to increasing the performance of electric vehicle propulsion systems.

Zur verbesserten Entwärmung ist bei einer aus der DE 10 2011 077 924 A1 bekannten, als Zwischenkreiskondensator eingesetzten, Kondensatoranordnung vorgesehen, dass mehrere Kondensatorwickel zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei in zwischen den einzelnen Kondensatorwickeln gebildeten Zwischenräumen Wärmeleiter zur Abführung von Wärme aus einem Hotspot einliegen.For improved cooling is at one of the DE 10 2011 077 924 A1 known, used as intermediate circuit capacitor, capacitor arrangement provided that a plurality of capacitor windings are arranged spaced from each other, wherein einliegen in formed between the individual capacitor windings heat conductors for the removal of heat from a hotspot.

Eine in ähnlicher Weise aus einzelnen Wickeln mit zwischengeordneten Kühlfahnen aufgebaute Kondensatoranordnung ist aus der DE 915 937 B bekannt.A similarly constructed from individual coils with intermediate cooling vanes capacitor arrangement is from the DE 915 937 B known.

Alternativ ist gemäß der EP 1 028 439 A1 bzw. der DE 10 2005 029 259 A1 jeweils eine Kondensatoranordnung bekannt, bei der ein gekühlter Folienkondensator dadurch gebildet ist, dass ein Wickelkern, um den ein Kondensatorwickel gewickelt ist, als Kühlelement ausgeführt ist.Alternatively, according to the EP 1 028 439 A1 or the DE 10 2005 029 259 A1 in each case a capacitor arrangement is known in which a cooled film capacitor is formed by a winding core, around which a capacitor winding is wound, being designed as a cooling element.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, einen Folienkondensator bei kompakter Bauweise besonders effektiv und verschleißarm (langlebig) zu betreiben.The invention has for its object to provide a device that makes it possible to operate a film capacitor in a compact design particularly effective and low-wear (durable).

Bezüglich einer Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Kondensatoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.With regard to a device, this object is achieved according to the invention by a capacitor arrangement having the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung umfasst einen (elektrischen) Kondensator sowie ein zugeordnetes Kühlelement. Bei dem Kondensator handelt es sich um einen (Kunststoff-)Folienkondensator, dessen Kondensatorkörper durch eine alternierende Schichtung von dielektrischen Kunststoffschichten, insbesondere aus Polypropylen oder Polyester, und elektrisch leitfähigen Metallschichten gebildet ist.The capacitor arrangement according to the invention comprises an (electric) capacitor and an associated cooling element. The capacitor is a (plastic) film capacitor whose capacitor body is formed by an alternating layering of dielectric plastic layers, in particular of polypropylene or polyester, and electrically conductive metal layers.

Im Rahmen der Erfindung kann diese alternierende Schichtung – in an sich bekannter Weise – sowohl durch eine Wicklung oder einen Stapel von metallisch beschichteten Kunststofffolien gebildet sein, als auch durch eine Wicklung oder einen Stapel Kunststofffolien und Metallfolien.In the context of the invention, this alternating layering-in a manner known per se-can be formed both by a winding or a stack of metallically coated plastic films, as well as by a winding or a stack of plastic films and metal foils.

Der Kondensator kann im Rahmen der Erfindung zusätzlich zu dem Kondensatorkörper zwei metallische Anschlussplatten umfassen, zwischen denen der Kondensatorkörper zur elektrischen Kontaktierung eingefasst ist.In the context of the invention, the condenser may comprise, in addition to the condenser body, two metallic connection plates between which the condenser body is bordered for electrical contacting.

Erfindungsgemäß ist in den Kondensatorkörper mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme des mindestens einen Kühlelements eingebracht. Dabei ist die oder jede Ausnehmung einerseits in Form einer Bohrung mit kreisrundem Querschnitt eingebracht. Andere Formen der Ausnehmung, die beispielsweise durch Fräsen herstellbar sind, sind im Rahmen der Erfindung andererseits aber auch denkbar.According to the invention, at least one recess for receiving the at least one cooling element is introduced into the capacitor body. In this case, the or each recess is introduced on the one hand in the form of a bore with a circular cross-section. Other forms of the recess, which can be produced, for example, by milling, on the other hand, however, are also conceivable within the scope of the invention.

Weiterhin umfasst die Kondensatoranordnung das mindestens eine Kühlelement zur Kühlung des Kondensatorkörpers, das unmittelbar an dem Kondensatorkörper anliegt. Das Kühlelement liegt dabei unmittelbar an der Wandung der Ausnehmung ein. Das Kühlelement ist dabei zweckmäßigerweise zumindest in einem Abschnitt komplementär zu der Ausnehmung ausgeformt. Vorzugsweise sind mehrere derartige Ausnehmungen in den Kondensatorkörper eingebracht, in denen jeweils ein Kühlelement oder ein Teil eines mehrgliedrigen Kühlelements einliegt. Das mindestens eine Kühlelement steht hierdurch in unmittelbarem mechanischen und thermischen Kontakt mit dem Kondensatorkörper, nicht aber in elektrischem Kontakt zu den darin angeordneten Metallschichten. Vielmehr ist der oder jeder Kühlkörper elektrisch gegenüber den Metallschichten im Kondensatorkörper isoliert. Furthermore, the capacitor arrangement comprises the at least one cooling element for cooling the capacitor body, which rests directly on the capacitor body. The cooling element is located directly on the wall of the recess. The cooling element is expediently formed at least in a section complementary to the recess. Preferably, a plurality of such recesses are introduced into the capacitor body, in each of which a cooling element or a part of a multi-element cooling element rests. The at least one cooling element is thus in direct mechanical and thermal contact with the capacitor body, but not in electrical contact with the metal layers arranged therein. Rather, the or each heat sink is electrically isolated from the metal layers in the capacitor body.

Bei einem erfindungsgemäßen Kühlelement handelt es sich allgemein um ein Bauteil oder eine Baugruppe, welches dazu eingerichtet ist, Wärme von dem Kondensatorkörper (Folienstapel/Folienwicklung) abzuleiten, d. h. dem Kondensatorkörper Wärme zu entziehen.A cooling element according to the invention is generally a component or an assembly which is adapted to dissipate heat from the capacitor body (film stack / film winding), d. H. to extract heat from the condenser body.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Kühlelement um einen passiven Kühlkörper, insbesondere um eine Platte oder einen Stab aus einem thermisch leitfähigen (Voll-)Material, vorzugsweise aus Aluminium, der der bloßen Wärmeableitung innerhalb des Materials des Kühlkörpers dient. Ein solches passives Kühlelement ist insbesondere außerhalb des Kondensatorkörpers (mittelbar oder unmittelbar) mit einer externen Kühleinheit (Wärmesenke) thermisch leitend verbunden.The cooling element is preferably a passive heat sink, in particular a plate or a rod of a thermally conductive (full) material, preferably of aluminum, which serves for the mere dissipation of heat within the material of the heat sink. Such a passive cooling element is in particular outside the capacitor body (indirectly or directly) connected to an external cooling unit (heat sink) thermally conductive.

Alternativ hierzu kann der Kondensatorkörper im Rahmen der Erfindung allerdings auch unmittelbar mit einem aktiven Kühlelement in unmittelbarem (thermischem und mechanischem) Kontakt stehen, beispielsweise einem von einem Kühlfluid durchströmten Wärmetauscher oder einem Peltier-Element.Alternatively, however, the capacitor body within the scope of the invention may also be in direct (thermal and mechanical) contact with an active cooling element, for example a heat exchanger through which a cooling fluid flows or a Peltier element.

Sofern das Kühlelement elektrisch leitende Komponenten aufweist oder beinhaltet, ist es vorzugsweise mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen, um einen elektrischen Kontakt mit dem Kondensatorkörper auszuschließen.If the cooling element comprises or contains electrically conductive components, it is preferably provided with an electrically insulating coating in order to preclude electrical contact with the capacitor body.

Durch die unmittelbare Anlage des Kühlelements an dem Kondensatorkörper (d. h. dem Folienpaket) und somit den unmittelbaren thermischen Kontakt wird vorteilhafterweise eine besonders gute Wärmeableitung der im Betrieb des Kondensators entstehenden Wärme aus dem Kondensatorkörper erreicht. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Lebensdauer des derart gekühlten Kondensators im Vergleich zu herkömmlich gekühlten Kondensatoren erhöht. Zudem wird die Leistung des derart gekühlten Kondensators – ebenfalls im Vergleich zu einem herkömmlich gekühlten Kondensator – gesteigert.Due to the direct contact of the cooling element on the capacitor body (i.e., the film package) and thus the direct thermal contact, a particularly good heat dissipation of the heat generated during operation of the capacitor is advantageously achieved from the capacitor body. As a result, advantageously, the life of the thus cooled capacitor is increased compared to conventionally cooled capacitors. In addition, the performance of the thus cooled capacitor - also in comparison to a conventionally cooled capacitor - increased.

Das mindestens eine Kühlelement ist im Inneren des Kondensatorkörpers angeordnet. In anderen Worten ist der Kondensatorkörper von dem mindestens einen Kühlelement durchsetzt. Hierdurch werden vorteilhafterweise besonders kurze Wärmeübertragungsstrecken in dem vergleichsweise schlecht wärmeleitenden Kondensatorkörper erzielt, wodurch der Wärmeabtrag bzw. die Kühlleistung im Vergleich zu einer rein außenflächigen Kühlung noch weiter gesteigert wird.The at least one cooling element is arranged in the interior of the capacitor body. In other words, the capacitor body is penetrated by the at least one cooling element. As a result, particularly short heat transfer paths are advantageously achieved in the comparatively poorly heat-conducting capacitor body, whereby the heat removal or the cooling performance is further increased compared to a purely external cooling.

In einer Variante der Erfindung ist die interne Kühlung des Kondensatorkörpers dahingehend realisiert, dass der Kondensatorkörper in mindestens zwei (vorzugsweise mehrere) Teilkörper gegliedert ist, wobei zwischen zwei benachbarten Teilkörpern mindestens ein Zwischenraum gebildet ist. Dabei liegt das mindestens eine Kühlelement mit unmittelbarem (mechanischem und thermischem) Kontakt zu beiden benachbarten Teilkörpern in dem mindestens einen Zwischenraum ein.In a variant of the invention, the internal cooling of the capacitor body is realized in that the capacitor body is subdivided into at least two (preferably several) sub-bodies, wherein at least one intermediate space is formed between two adjacent sub-bodies. In this case, the at least one cooling element with direct (mechanical and thermal) contact with both adjacent partial bodies lies in the at least one intermediate space.

In diesem Fall hat das oder jedes Kühlelement (zumindest in demjenigen Abschnitt, in dem es in dem Zwischenraum einliegt) vorzugsweise eine etwa (flach-)quaderförmige Form, wobei es mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils an einer der Wandungen der beiden angrenzenden Teilkörper mechanisch und thermisch anliegt. Der Kondensator hat hier also eine sandwichartige Struktur, wobei sich Kühlelement(e) und Teilkörper abwechseln.In this case, the or each cooling element (at least in that portion in which it rests in the gap) preferably has an approximately (flat) cuboidal shape, with two opposite side surfaces each on one of the walls of the two adjacent part-body mechanically and thermally is applied. The capacitor thus has a sandwich-like structure, wherein cooling element (s) and part body alternate.

Alle Teilkörper des Kondensators werden dabei gemeinsam, insbesondere von einem gemeinsamen Paar Anschlussplatten elektrisch kontaktiert.All partial bodies of the capacitor are in this case contacted electrically, in particular by a common pair of connection plates.

In bevorzugter Ausführungsform ist die oder jede Ausnehmung bezüglich ihrer Achse in einer Richtung in den Kondensatorkörper eingebracht, die entlang der Schichtrichtung des Kondensatorkörpers verläuft. Im Falle eines Folienstapels ist die oder jede Ausnehmung somit bevorzugt entlang der Flächenausdehnung der einzelnen Schichten bzw. im Falle einer Wicklung in deren Axialrichtung ausgerichtet.In a preferred embodiment, the or each recess is introduced with respect to its axis in a direction in the capacitor body, which runs along the layer direction of the capacitor body. In the case of a film stack, the or each recess is thus preferably aligned along the surface extent of the individual layers or in the axial direction in the case of a winding.

Die Ausnehmung kann im Rahmen der Erfindung entweder als Sackloch ausgebildet und somit lediglich zu einer Oberfläche des Kondensatorkörpers hin geöffnet sein oder den Kondensatorkörper komplett durchdringen. Grundsätzlich ist im Rahmen der Erfindung ferner denkbar, dass die Ausnehmung als Nut in den Kondensatorkörper eingebracht ist und somit entlang ihrer Achse zu einer Oberfläche des Kondensatorkörpers geöffnet ist. Sofern mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme von Kühlelementen in den Kondensatorkörper eingebracht sind, können diese Ausnehmungen im Rahmen der Erfindung wahlweise ausgehend von einer Außenseite oder mehreren unterschiedlichen Außenseiten des Kondensatorkörpers in diesen hineinragen oder diesen durchdringen. Entsprechend können mehrere Kühlelemente von zwei oder mehreren unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten, Außenseiten aus (zumindest teilweise) in den Kondensatorkörper hineinragen.In the context of the invention, the recess can either be formed as a blind hole and thus be opened only to a surface of the capacitor body or completely penetrate the capacitor body. In principle, it is also conceivable within the scope of the invention for the recess to be introduced as a groove in the capacitor body and thus opened along its axis to a surface of the capacitor body. If a plurality of recesses for accommodating cooling elements are introduced into the capacitor body, In the context of the invention, these recesses may optionally protrude into or penetrate these from one outer side or a plurality of different outer sides of the capacitor body. Accordingly, a plurality of cooling elements of two or more different, in particular opposite, outer sides of (at least partially) protrude into the capacitor body.

Typischerweise umfasst der Folienkondensator eine Schoop-Schicht, welche in an sich bekannter Weise zur elektrischen Kontaktierung der (Metall-)Schichten (Elektroden) des Kondensatorkörpers dient. Bei der Schoop-Schicht handelt es sich um eine Metallschicht, die die anschlussplattenseitigen Enden der einzelnen Metallschichten gemeinsam einfasst und elektrisch kontaktiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei die mindestens eine Ausnehmung derart in den Kondensatorkörper eingebracht, dass sie die Schoop-Schicht durchdringt.Typically, the film capacitor comprises a Schoop layer, which serves in a manner known per se for electrically contacting the (metal) layers (electrodes) of the capacitor body. The Schoop layer is a metal layer that collectively engages and electrically contacts the terminal-plate-side ends of the individual metal layers. In a preferred embodiment, the at least one recess is introduced into the capacitor body in such a way that it penetrates the Schoop layer.

Im Rahmen der Erfindung kann derjenige Abschnitt des Kühlelements, der in unmittelbarer Anlage an dem Kondensatorkörper angeordnet ist, insbesondere flachquaderförmig (plattenförmig), stabförmig (stift- oder Zylinderförmig) oder ringförmig (hohlzylinderförmig) ausgebildet sein.In the context of the invention, that portion of the cooling element, which is arranged in direct contact with the capacitor body, in particular flat quadratic (plate-shaped), rod-shaped (pin-shaped or cylindrical) or annular (hollow cylindrical) may be formed.

In einer Ausführungsform umfasst das Kühlelement einen Schaft sowie eine wärmeleitfähige Trägerplatte. Der Schaft ist dabei derart auf der Trägerplatte aufgebaut, dass er von dieser zumindest annähernd vertikal abragt. Im Montagezustand der Kondensatoranordnung ragt dabei der Schaft in den Kondensatorkörper hinein, während die Trägerplatte außerhalb des Kondensatorkörpers angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst das Kühlelement mehrere Schäfte, welche in einer kammartigen Struktur auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet sind.In one embodiment, the cooling element comprises a shaft and a thermally conductive carrier plate. The shaft is constructed in such a way on the support plate that it protrudes from this at least approximately vertically. In the assembled state of the capacitor arrangement, the shaft protrudes into the capacitor body while the carrier plate is arranged outside the capacitor body. Preferably, the cooling element comprises a plurality of shafts, which are arranged in a comb-like structure on a common support plate.

Im Rahmen der Erfindung kann die Kondensatoranordnung bereits bei der Herstellung des Kondensators fertiggestellt werden, indem das oder jedes Kühlelement bereits bei der Herstellung des Kondensators mit montiert wird. Es ist jedoch – je nach Ausführungsform – auch möglich, dass der Kondensator zunächst separat von einem oder mehreren zugeordneten Kühlelementen hergestellt wird, wobei das oder jedes entsprechende Kühlelement erst nachträglich, insbesondere erst beim Einbau des Kondensators, bestimmungsgemäß angeordnet wird.In the context of the invention, the capacitor arrangement can be completed already in the manufacture of the capacitor by the or each cooling element is already mounted in the manufacture of the capacitor with. However, it is also possible-depending on the embodiment-that the capacitor is initially produced separately from one or more associated cooling elements, with the or each corresponding cooling element only subsequently, in particular only when installing the capacitor, being arranged as intended.

Die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung findet bevorzugt Verwendung als gekühlter Zwischenkreiskondensator für einen (Puls-)Wechselrichter im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs, vorzugsweise eines Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb.The capacitor arrangement according to the invention is preferably used as a cooled DC link capacitor for a (pulse) inverter in the drive train of an electric vehicle, preferably a motor vehicle with electric or hybrid drive.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 in einer dreidimensionalen Darstellung eine Kondensatoranordnung mit einem Folienkondensator, der einen in mehrere Teilkörper unterteilten Kondensatorkörper umfasst, sowie mit mehreren als Kühlbügel ausgeführten Kühlelementen, 1 3 shows a three-dimensional view of a capacitor arrangement with a foil capacitor which comprises a capacitor body subdivided into a plurality of part bodies and with a plurality of cooling elements designed as a cooling bar,

2 die Kondensatoranordnung gemäß 1 in einem Einbauzustand, 2 the capacitor arrangement according to 1 in an installed state,

3 in einer Explosionsdarstellung eine zweite Ausführungsform der Kondensatoranordnung, in der der Kondensatorkörper mit mehreren Bohrungen zur Aufnahme des Kühlelements versehen ist, und in der das Kühlelement als Kühlkamm ausgeführt ist, 3 in an exploded view, a second embodiment of the capacitor arrangement, in which the capacitor body is provided with a plurality of bores for receiving the cooling element, and in which the cooling element is designed as a cooling comb,

4 in Darstellung gemäß 3 eine dritte Ausführungsform der Kondensatoranordnung mit zwei, jeweils als Kühlkamm ausgeführten, Kühlelementen, und 4 in illustration according to 3 a third embodiment of the capacitor arrangement with two, each designed as a cooling comb, cooling elements, and

5 und 6 jeweils in Einzeldarstellungen weitere Kühlelemente für einen Folienkondensator, der gemäß der dritten Ausführungsform ausgebildet ist. 5 and 6 each in individual representations further cooling elements for a film capacitor, which is formed according to the third embodiment.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are always provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Kondensatoranordnung 1, die als Zwischenkreiskapazität eines Antriebsstrangs für einen Elektromotor eines Elektro-Kraftfahrzeugs eingesetzt ist. 1 shows in a simplified representation of a capacitor arrangement 1 , which is used as a DC link capacity of a drive train for an electric motor of an electric motor vehicle.

Die Kondensatoranordnung 1 umfasst einen (Folien-)Kondensator 2 sowie mehrere Kühlelemente 3.The capacitor arrangement 1 includes a (foil) capacitor 2 as well as several cooling elements 3 ,

Der Kondensator 2 umfasst eine erste Anschlussplatte 4 (Busbar) und eine hierzu planparallele zweite Anschlussplatte 5 (Busbar) sowie einen im Wesentlichen quaderförmigen Kondensatorkörper 6. Der Kondensatorkörper 6 ist wiederum in mehrere (ebenfalls quaderförmige) Teilkörper 7 unterteilt. Der Kondensatorkörper 6 hat in beispielhafter Dimensionierung insgesamt eine Flächenausdehnung von etwa 10 cm × 20 cm und eine Stärke von etwa 5 cm. Die Kapazität des Kondensators 2 liegt beispielsweise bei etwa 500 bis 100 μF.The capacitor 2 includes a first terminal plate 4 (Busbar) and a plane parallel to this second connection plate 5 (Busbar) and a substantially cuboid capacitor body 6 , The capacitor body 6 is again in several (also cuboid) partial body 7 divided. The capacitor body 6 has in exemplary dimensioning total area of about 10 cm × 20 cm and a thickness of about 5 cm. The capacity of the capacitor 2 is for example about 500 to 100 μF.

Beide Anschlussplatten 4, 5 umfassen an einem den Kondensatorkörper 6 überragenden Rand (hier lediglich angedeutete) Anschlüsse 8 zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter des zugeordneten Pulswechselrichters.Both connection plates 4 . 5 comprise on one the capacitor body 6 outstanding edge (here only indicated) connections 8th for electrically contacting the power semiconductors of the associated pulse-controlled inverter.

Der Kondensatorkörper 6 ist den beiden Anschlussplatten 4, 5 sowohl räumlich als auch elektrisch zwischengeordnet. The capacitor body 6 is the two connection plates 4 . 5 both spatially and electrically interposed.

Der Kondensatorkörper 6 und insbesondere jeder Teilkörper 7, ist in einer für einen Folienkondensator typischen Bauweise jeweils aus einem Stapel aus elektrisch isolierenden Kunststofffolien 10 gebildet, wobei auf jede (Kunststoff-)Folie 10 jeweils eine elektrisch leitfähigen Metallschicht 11 aufgedampft ist.The capacitor body 6 and in particular each part body 7 , is in a typical for a film capacitor construction each of a stack of electrically insulating plastic films 10 formed, taking on each (plastic) film 10 each an electrically conductive metal layer 11 evaporated.

Die einzelnen Folien 10 sind derart überlappend geschichtet, dass die zugehörigen Metallschichten 11 alternierend jeweils über eine Schoop-Schicht 12 mit der ersten bzw. der zweiten Anschlussplatte 4, 5 kontaktieren.The individual slides 10 are layered overlapping so that the associated metal layers 11 alternately over a Schoop layer 12 with the first or the second connection plate 4 . 5 to contact.

Der Kondensatorkörper 6 ist in Schichtrichtung (d. h. quer zur jeweiligen Flächenausdehnung der Folien 10) derart in die mehreren Teilkörper 7 unterteilt, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Teilkörpern 7 ein etwa flachquaderförmiger Zwischenraum 13 gebildet ist.The capacitor body 6 is in the layer direction (ie transversely to the respective surface extent of the films 10 ) in such a way into the several partial bodies 7 divided, in each case between two adjacent partial bodies 7 an approximately flat-quadrilateral space 13 is formed.

Jeder Zwischenraum 13 ist an den zwei gegenüberliegenden breiteren Längsseiten jeweils von einer Wandung eines der Teilkörper 7 begrenzt, während er an den dazwischenliegenden schmäleren Längsseiten von den Anschlussplatten 4, 5 begrenzt ist.Every gap 13 is at the two opposite wider longitudinal sides in each case by a wall of one of the part body 7 limited, while at the intermediate narrower longitudinal sides of the connection plates 4 . 5 is limited.

In dem dargestellten Montagezustand der Kondensatoranordnung 1 liegt in jedem dieser Zwischenräume 13 zur Kühlung des Kondensatorkörpers 6 jeweils eines der Kühlelemente 3 ein. Jedes Kühlelement 3 ist aus einem Vollkörper aus Aluminium gefertigt, das so dimensioniert ist, dass es an beiden den Zwischenraum 13 begrenzenden Teilkörpern 7 unmittelbar anliegt und insbesondere den Zwischenraum 13 vollständig ausfüllt.In the illustrated mounting state of the capacitor arrangement 1 lies in each of these spaces 13 for cooling the capacitor body 6 each one of the cooling elements 3 one. Each cooling element 3 is made of a solid body of aluminum, which is dimensioned so that there is at both the gap 13 limiting partial bodies 7 immediately applied and in particular the gap 13 completely filled out.

In der dargestellten Ausführungsform sind alle Kühlelemente 3 gleichartig ausgeführt und dimensioniert. Es ist jedoch prinzipiell auch denkbar, dass die einzelnen Kühlelemente 3 in ihrer Dimensionierung variieren. An die jeweiligen Außenseiten der beiden randseitigen Teilkörper 7 grenzt jeweils ein weiteres Kühlelement 3 an.In the illustrated embodiment, all cooling elements 3 similarly executed and dimensioned. However, it is also conceivable in principle that the individual cooling elements 3 vary in their sizing. To the respective outer sides of the two marginal body part 7 each adjacent to another cooling element 3 at.

Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass die Kühlelemente 3 im Einbauzustand der Kondensatoranordnung thermisch leitend an einen luft- oder flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 21 angeschlossen sind. Im Betrieb der Kondensatoranordnung 1 wird die in dem Folienkondensator 2 entstehende Wärme durch (passive) Wärmeleitung über die Kühlelemente 3 an den Kühlkörper 21 abgeführt.The representation according to 2 it can be seen that the cooling elements 3 in the installed state of the capacitor arrangement thermally conductive to an air- or liquid-cooled heat sink 21 are connected. During operation of the capacitor arrangement 1 becomes the in the film capacitor 2 heat generated by (passive) heat conduction via the cooling elements 3 to the heat sink 21 dissipated.

In alternativer Ausgestaltung ist es jedoch auch denkbar, dass zur Verbesserung der Wärmeabfuhr die Kühlelemente 3 selbst von einem Kühl-Medium (Gas/Flüssigkeit) durchströmt oder als Peltier-Elemente ausgeführt sind und somit den Kondensatorkörper 6 aktiv entwärmen.In an alternative embodiment, however, it is also conceivable that the cooling elements improve the heat dissipation 3 even through a cooling medium (gas / liquid) flows through or are designed as Peltier elements and thus the capacitor body 6 to actively de-energize.

Der gesamte Folienkondensator 2 liegt zudem gemäß 2 mit einer seiner Planseiten 22 auf einem weiteren Kühlkörper 23 auf.The entire film capacitor 2 is also according to 2 with one of his plan pages 22 on another heat sink 23 on.

3 zeigt die Kondensatoranordnung 1 in Blickrichtung auf eine Schmalseite 30 des Kondensatorkörpers 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei die Anschlussplatten hier zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Darstellung zeigt einen Vormontagezustand, in welchem das hier kammartige Kühlelement 3 noch nicht in den Kondensatorkörper 6 eingebracht ist. 3 shows the capacitor arrangement 1 in the direction of a narrow side 30 of the capacitor body 6 according to a second embodiment, wherein the connection plates are not shown here for clarity. The illustration shows a pre-assembly state, in which the comb-like cooling element 3 not yet in the capacitor body 6 is introduced.

Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist hier der Kondensatorkörper 6 nicht in Teilkörper unterteilt, sondern stattdessen als zusammenhängender (aus dem Folienstapel gebildeter) Block ausgeführt.In contrast to the embodiment described above, here is the capacitor body 6 not subdivided into sub-bodies, but instead executed as a contiguous (formed from the film stack) block.

In den Kondensatorkörper 6 sind eine Reihe von durchgängigen Bohrungen 31 eingebracht, wobei entsprechend der Darstellung jede Bohrung 31 von einer ersten Planseite 32 des Kondensatorkörpers 6 zu einer gegenüberliegenden zweiten Planseite 33 des Kondensatorkörpers 6 jeweils entlang der Schichtrichtung des Folienstapels ausgerichtet ist. Jede Bohrung 31 durchdringt dabei beide Schoop-Schichten 12, welche auf dem Kondensatorkörper 6 planseitig aufgebracht sind. Die auf der Schoop-Schicht aufliegenden (nicht dargestellten) Anschlussplatten, sind ebenfalls durchbohrt.In the capacitor body 6 are a series of continuous holes 31 introduced, as shown in the illustration each hole 31 from a first plan page 32 of the capacitor body 6 to an opposite second plan page 33 of the capacitor body 6 each aligned along the layer direction of the film stack. Every hole 31 penetrates both Schoop layers 12 , which on the capacitor body 6 are applied on the plan side. The resting on the Schoop layer (not shown) connection plates are also pierced.

Die einzelnen Bohrungen 31 sind im dargestellten Beispiel in linearer Reihung gleichverteilt über die gesamte Länge des Kondensatorkörpers 6 angeordnet. Jede Bohrung 31 dient als Aufnahme für einen Schaft des Kühlelements 3, wobei die Schäfte hier entsprechend der (runden) Bohrungen 31 als zylinderförmige Pins oder Kühlfinger 35 mit zumindest annähernd identischem Durchmesser ausgebildet sind. Die Länge jeden Kühlfingers 35 entspricht in etwa der Stärke des Kondensatorkörpers 6.The individual holes 31 are in the example shown in a linear array evenly distributed over the entire length of the capacitor body 6 arranged. Every hole 31 serves as a receptacle for a shaft of the cooling element 3 , where the shafts here according to the (round) holes 31 as cylindrical pins or cold fingers 35 are formed with at least approximately identical diameter. The length of each cold finger 35 corresponds approximately to the thickness of the capacitor body 6 ,

Alle Kühlfinger 35 stehen auf einer gemeinsamen, dünnen, länglichen Trägerplatte 36, von der sie jeweils vertikal abragen. Der Abstand der einzelnen Kühlfinger 35 zueinander entspricht dem Abstand der Bohrungen 31 zueinander.All cold fingers 35 stand on a common, thin, elongated support plate 36 from which they each protrude vertically. The distance between the individual cold fingers 35 each other corresponds to the distance between the holes 31 to each other.

Die Trägerplatte 36, sowie die Kühlfinger 35 sind hier analog zur ersten Ausführungsform ebenfalls aus Aluminium gefertigt. Auf der von den Kühlfingern 35 abgewandten Oberfläche 37 der Trägerplatte 36 ist diese mit einer elektrischen Isolierschicht 38 aus einem thermisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem thermisch leitfähigem Kunststoff (insbesondere einem mit thermisch leitfähigen Partikeln in Pulverform gefüllten Kunststoff) beschichtet. In bestimmungsgemäßer Montagesituation ist jeder Kühlfinger 35 in eine zugeordnete Bohrungen 31 eigesetzt, so dass jeder Kühlfinger 35 an der Wand der zugeordneten Bohrung unmittelbar anliegt. Hierdurch wird im Betrieb des Kondensators 2 wiederum eine Wärmeabfuhr über das Kühlelement 3 aus dem Kondensatorkörper 6 ermöglicht.The carrier plate 36 , as well as the cold fingers 35 are also made of aluminum analogous to the first embodiment. On the of the cold fingers 35 remote surface 37 the carrier plate 36 this is with an electrical insulating layer 38 of a thermally conductive material, for example of a thermally conductive plastic (in particular a filled with thermally conductive particles in powdered plastic) coated. In the intended installation situation, each cold finger is 35 in an assigned holes 31 used so that every cold finger 35 directly abuts the wall of the associated bore. As a result, during operation of the capacitor 2 in turn, a heat dissipation via the cooling element 3 from the capacitor body 6 allows.

4 zeigt die Kondensatoranordnung 1 in einer dritten Ausführungsform, welche im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform entspricht. Jedoch umfasst die Kondensatoranordnung 1 hier statt eines einzigen Kühlelements 3 zwei gleiche Kühlelemente 3, welche beide im Wesentlichen gemäß 3 gestaltet sind. Im Unterschied zu der vorstehenden Ausführungsform umfasst hier jedes Kühlelement jeweils nur drei Kühlfinger. Die Kühlfinger 35 des weiteren Kühlelements 3 ragen bestimmungsgemäß von der zur zweiten Planseite 33 entgegengesetzten ersten Planseite 32 aus in den Kondensatorkörper 6 hinein. Der Kondensator 2 grenzt hier im Einbauzustand mit der Anschlussplatte 4 ebenfalls an einen Kühlkörper an. 4 shows the capacitor arrangement 1 in a third embodiment, which substantially corresponds to the second embodiment. However, the capacitor arrangement includes 1 here instead of a single cooling element 3 two identical cooling elements 3 which are both essentially according to 3 are designed. In contrast to the preceding embodiment, each cooling element here comprises only three cooling fingers. The cold fingers 35 the further cooling element 3 project as intended from the second plan page 33 opposite first plan page 32 out into the capacitor body 6 into it. The capacitor 2 borders here with the connection plate in the installed state 4 also to a heat sink.

In 5 sind drei einzelne Kühlelemente 3 dargestellt, welche ebenfalls zur Kühlung des Kondensatorkörpers 6 gemäß der dritten Ausführungsform (siehe 4) eingesetzt werden können. In dieser Ausführungsform umfasst jedes Kühlelement 3 nur einen einzigen Kühlfinger 35, welcher analog zu der Ausführungsform gemäß 4 vertikal abragend auf der hier als Kreisscheibe ausgeführten Trägerplatte 36 steht. In diesem Fall werden jeweils drei der hier dargestellten Kühlelemente 3 von einer der Planseiten 32, 33 aus in den Kondensatorkörper 6 eingebracht.In 5 are three individual cooling elements 3 shown, which also for cooling the capacitor body 6 according to the third embodiment (see 4 ) can be used. In this embodiment, each cooling element comprises 3 only a single cold finger 35 , which analogous to the embodiment according to 4 vertically projecting on the carrier plate, which is designed here as a circular disk 36 stands. In this case, each of three of the cooling elements shown here 3 from one of the plan pages 32 . 33 out into the capacitor body 6 brought in.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kühlelements 3 (wiederum für einen Kondensatorkörper 6 gemäß der dritten Ausführungsform aus 4) bei der die einzelnen Kühlfinger 35 mit einer (thermisch leitfähigen) elektrischen Isolierschicht 60 überzogen sind. 6 shows a further embodiment of the cooling element 3 (again for a capacitor body 6 according to the third embodiment 4 ) at the individual cold fingers 35 with a (thermally conductive) electrical insulating layer 60 are coated.

Claims (10)

Kondensatoranordnung (1) – mit einem Folienkondensator (2), dessen Kondensatorkörper (6) durch eine alternierende Schichtung von dielektrischen Kunststoffschichten (10) und elektrisch leitfähigen Metallschichten (11) gebildet ist, wobei in den Kondensatorkörper (6) mindestens eine als Bohrung hergestellte Ausnehmung (31) mit kreisrundem Querschnitt oder eine durch Fräsen hergestellte Ausnehmung (31) eingebracht ist, sowie – mit mindestens einem Kühlelement (3) zur Kühlung des Folienkondensators (2), das in der Ausnehmung (31) einliegt und unmittelbar an dem Kondensatorkörper (6) anliegt.Capacitor arrangement ( 1 ) - with a film capacitor ( 2 ), whose capacitor body ( 6 ) by an alternating layering of dielectric plastic layers ( 10 ) and electrically conductive metal layers ( 11 ) is formed, wherein in the capacitor body ( 6 ) at least one recess made as a bore ( 31 ) with a circular cross-section or a recess made by milling ( 31 ), and - with at least one cooling element ( 3 ) for cooling the film capacitor ( 2 ), which in the recess ( 31 ) and directly on the capacitor body ( 6 ) is present. Kondensatoranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der Kondensatorkörper (6) in mindestens zwei zueinander beabstandete Teilkörper (7) unterteilt ist, wobei zwischen zwei benachbarten Teilkörpern (7) mindestens ein Zwischenraum (13) gebildet ist, in dem das mindestens eine Kühlelement (3) einliegt.Capacitor arrangement ( 1 ) according to claim 1, wherein the capacitor body ( 6 ) in at least two spaced body parts ( 7 ), wherein between two adjacent partial bodies ( 7 ) at least one intermediate space ( 13 ) is formed, in which the at least one cooling element ( 3 ) is present. Kondensatoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Ausnehmung (31) entlang der Schichtrichtung des Kondensatorkörpers (6) eingebracht ist.Capacitor arrangement ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the at least one recess ( 31 ) along the layer direction of the capacitor body ( 6 ) is introduced. Kondensatoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Folienkondensator (2) eine Schoop-Schicht (12) zur Kontaktierung der einzelnen leitfähigen Schichten (11) aufweist, und wobei die mindestens eine Ausnehmung (31) die Schoop-Schicht (12) durchdringt.Capacitor arrangement ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the film capacitor ( 2 ) a Schoop layer ( 12 ) for contacting the individual conductive layers ( 11 ), and wherein the at least one recess ( 31 ) the Schoop layer ( 12 ) penetrates. Kondensatoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kühlelement (3) einen Schaft (35) sowie eine Trägerplatte (36) aufweist, wobei der Schaft (35) von der Trägerplatte (36) abragt, und wobei der Schaft (35) in den Kondensatorkörper (6) hineinragt, während die Trägerplatte (35) außerhalb des Kondensatorkörpers (6) angeordnet ist.Capacitor arrangement ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the cooling element ( 3 ) a shaft ( 35 ) and a carrier plate ( 36 ), wherein the shaft ( 35 ) from the carrier plate ( 36 ) and wherein the shaft ( 35 ) in the capacitor body ( 6 ) protrudes while the carrier plate ( 35 ) outside the capacitor body ( 6 ) is arranged. Kondensatoranordnung (1) nach Anspruch 5, wobei das Kühlelement (3) mehrere Schäfte (35) aufweist, die auf einer gemeinsamen Trägerplatte (36) angeordnet sind.Capacitor arrangement ( 1 ) according to claim 5, wherein the cooling element ( 3 ) several shafts ( 35 ), which on a common carrier plate ( 36 ) are arranged. Kondensatoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine Kühlelement (3) aus einem thermisch leitfähigen Vollmaterial gebildet ist.Capacitor arrangement ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the at least one cooling element ( 3 ) is formed of a thermally conductive solid material. Kondensatoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das mindestens eine Kühlelement (3) mit einer elektrisch isolierende Beschichtung (38, 60) versehen ist.Capacitor arrangement ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the at least one cooling element ( 3 ) with an electrically insulating coating ( 38 . 60 ) is provided. Kondensatoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit mindestens zwei Kühlelementen (3), die von zwei unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten, Seiten (32, 33) in den Kondensatorkörper (6) hineinragen.Capacitor arrangement ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, with at least two cooling elements ( 3 ), of two different, especially opposite, sides ( 32 . 33 ) in the capacitor body ( 6 protrude). Verwendung einer Kondensatoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 als gekühlten Zwischenkreiskondensator für einen (Puls-)Wechselrichter, insbesondere in einem Elektrofahrzeug.Use of a capacitor arrangement ( 1 ) according to any one of claims 1 to 9 as cooled DC link capacitor for a (pulse) inverter, in particular in an electric vehicle.
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