DE102017220689B4

DE102017220689B4 - Capacitor arrangement

Info

Publication number: DE102017220689B4
Application number: DE102017220689.6A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Schiedermeier; Stephan BRÜSKE; Andreas Apelsmeier; Martin BREU
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2037-11-21
Also published as: DE102017220689A1

Abstract

Kondensatoranordnung bestehend aus einem Hauptkondensator mit einer ersten Elektrode (11.11) einer zweiten Elektrode (11.12) und einem zwischen der ersten Elektrode 11.11 und der zweiten Elektrode 11.12 angeordneten ersten Dielektrikum (11.12), wobei ein Hilfskondensator 12 vorgesehen ist, der zum Hauptkondensator 11 räumlich so angeordnet ist, dass das elektrische Feld des Hilfskondensators 12 das elektrische Feld des Hauptkondensators 11 auslöscht, wenn der Hauptkondensator 11 an eine erste Gleichspannungsquelle (U1) und der Hilfskondensator 12 an eine zweite gleichgroße aber entgegengesetzt gepolte Gleichspannungsquelle (U2) angelegt ist, wobei der Hilfskondensator (12) zwischen einer ersten weiteren Elektrode (12.11) und einer zweiten weiteren Elektrode (12.12) ausgebildet ist, wobei die weiteren Elektroden (12.11, 12.12) den Hauptkondensator (11) unter Zwischenlage von jeweils einem weiteren Dielektrikum (14.1) einschließen derart, dass die Elemente der Kondensatoranordnung eine Sandwich-Anordnung bilden, und wobei die sandwichartige Abfolge der Elemente der Kondensatoranordnung so getroffen ist, dass der außenliegenden ersten weiteren Elektrode (12.11) das weiteres Dielektrikum (14.1), eine erste Elektrode (11.11) des Hauptkondensators (11), das erste Dielektrikum (11.2), die zweite Elektrode (11.12) des Hauptkondensators (11), das weiteres Dielektrikum (14.1) und eine außenliegende zweite weitere Elektrode (12.12) folgen, wobei die weiteren Elektroden (12.11, 12.12) und die erste Elektrode (11.11) und die zweite Elektrode (11.12) jeweils gleiche wirksame Flächen für die Feldbildung aufweisen, die Dicke des weiteren Dielektrikums (14.1) sehr viel kleiner gewählt ist, als die Dicke des ersten Dielektrikums (11.2) und die relative Permittivität des ersten Dielektrikums (11.2) deutlich höher gewählt ist, als die relative Permittivität des weiteren Dielektrikums (14.1), und wobei die Kondensatoranordnung in einer Spannungsversorgung für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs zwischen einem Hochvolt-Akkumulator (21) und einem Wechselrichter, mit dem Hauptkondensator (11) parallel zu den Gleichspannungseingängen des Wechselrichters angeordnet ist, und wobei es sich bei dem Wechselrichter um einen 3-Phasen-Pulswechselrichter handelt.Capacitor arrangement consisting of a main capacitor with a first electrode (11.11), a second electrode (11.12) and a first dielectric (11.12) arranged between the first electrode 11.11 and the second electrode 11.12, an auxiliary capacitor 12 being provided, which is spatially connected to the main capacitor 11 it is arranged that the electric field of the auxiliary capacitor 12 extinguishes the electric field of the main capacitor 11 when the main capacitor 11 is connected to a first DC voltage source (U1) and the auxiliary capacitor 12 is applied to a second DC voltage source (U2) of the same size but with opposite polarity, the auxiliary capacitor (12) is formed between a first further electrode (12.11) and a second further electrode (12.12), the further electrodes (12.11, 12.12) enclosing the main capacitor (11) with the interposition of a further dielectric (14.1) in such a way that the elements of the capacitor arrangement form a sandwich arrangement, and the sandwich-like sequence of the elements of the capacitor arrangement is such that the outer first further electrode (12.11) has the further dielectric (14.1), a first electrode (11.11) of the main capacitor (11) , the first dielectric (11.2), the second electrode (11.12) of the main capacitor (11), the further dielectric (14.1) and an external second further electrode (12.12) follow, the further electrodes (12.11, 12.12) and the first electrode (11.11) and the second electrode (11.12) each have the same effective areas for field formation, the thickness of the further dielectric (14.1) is chosen to be much smaller than the thickness of the first dielectric (11.2) and the relative permittivity of the first dielectric ( 11.2) is chosen to be significantly higher than the relative permittivity of the further dielectric (14.1), and the capacitor arrangement in a power supply for driving an electric vehicle between a high-voltage battery (21) and an inverter, with the main capacitor (11) in parallel the DC voltage inputs of the inverter is arranged, and the inverter is a 3-phase pulse inverter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung gemäß dem Patentanspruch 1.The invention relates to a capacitor arrangement according to claim 1.

Bei vielen elektrotechnischen Anwendungen, beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, kommt es vor, dass auf einer mit einer hohen Gleichspannung beaufschlagten Batterieleitung durch Schaltvorgänge die Gleichspannung überlagernde Spannungsspitzen, also Wechselspannungen auftreten, die es auszufiltern gilt. Für einen solchen Anwendungsfall muss die Auslegung des Kondensators einerseits die hohe Gleichspannung berücksichtigen und andererseits die auszufilternden Wechselspannungsanteile.In many electrical engineering applications, for example in electric vehicles, it happens that voltage peaks, i.e. alternating voltages, which are superimposed on the direct voltage, occur on a battery line subjected to a high direct voltage due to switching processes, which must be filtered out. For such an application, the design of the capacitor must take into account the high direct voltage on the one hand and the alternating voltage components that need to be filtered out on the other.

Wird also für eine Filterung ein großer Kondensator benötigt und liegt dieser an einer hohen Gleichspannung an, so muss er für beide Aspekte ausgelegt sein. Ein solcher Fall ist beispielsweise bei Verwendung eines Pulswechselrichters für den Fahrbetrieb bei einem Elektrofahrzeug gegeben. Hier wird üblicherweise ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen, der die durch die Halbleiter geschalteten Motorströme filtern soll. Ein Beispiel macht das dabei entstehende Problem deutlich. Wenn der Zwischenkreiskondensator beispielsweise eine Kapazität C von 500µF aufweisen muss, um den Filtereigenschaften gerecht zu werden und die Batterie-Spannung (U_Batt) der Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) beispielsweise in einem Bereich von 400 Volt liegt, muss der Kondensator auch auf diesen Aspekt ausgelegt sein. Damit bringt der Kondensator unter Berücksichtigung der vorstehend beispielhaft angenommenen Werte einen Energieinhalt von 0,5 × 500µF × (400V)² mit sich. Dieser Energieinhalt wird jedoch grundsätzlich nicht benötigt. Er ist im Gegenteil hinderlich, z.B. bei Abschaltvorgängen.If a large capacitor is required for filtering and if it is connected to a high DC voltage, it must be designed for both aspects. Such a case occurs, for example, when using a pulse inverter for driving an electric vehicle. An intermediate circuit capacitor is usually provided here, which is intended to filter the motor currents switched by the semiconductors. An example illustrates the problem that arises. If, for example, the intermediate circuit capacitor must have a capacity C of 500µF in order to meet the filter properties and the battery voltage (U _Batt ) of the high-voltage battery (HV battery), for example, is in the range of 400 volts, the capacitor must also be on designed to address this aspect. Taking into account the values assumed above as an example, the capacitor therefore has an energy content of 0.5 × 500µF × (400V) ² . However, this energy content is fundamentally not needed. On the contrary, it is a hindrance, for example during shutdown processes.

Weiter ist die Spannungsfestigkeit des Kondensators direkt mit der Dicke des Dielektrikums des Kondensators verbunden.

UC ~ d: (Mit Uc: Bemessungsspannung Kondensator; d: Dicke Dielektrikum)
: (Mit C: Kapazität; ε: Permittivität; A: Fläche der metallisierten Schichten; d: Dicke Dielektrikum)

Furthermore, the dielectric strength of the capacitor is directly linked to the thickness of the dielectric of the capacitor.

UC ~ d: (With Uc: rated voltage capacitor; d: thickness of dielectric)
: (With C: capacity; ε: permittivity; A: area of the metallized layers; d: thickness of dielectric)

Je höher die Spannung ist, desto dicker muss das Dielektrikum bestimmt werden. Je dicker das Dielektrikum bestimmt werden muss, desto mehr Fläche muss berücksichtigt werden, um eine Kapazität C zu erreichen. Das heißt, die Kompaktheit des Kondensators verschlechtert sich.The higher the voltage, the thicker the dielectric must be. The thicker the dielectric has to be determined, the more area has to be taken into account in order to achieve a capacitance C. That is, the compactness of the capacitor deteriorates.

Die US 4 179 627 A offenbart ein elektrisches Gerät. Aus der BE 517 763 A ist ein Wickelkondensatorelement bekannt.The US 4,179,627 A reveals an electrical device. A wound capacitor element is known from BE 517 763 A.

Ausgehend von einer Anordnung mit einem Kondensator herkömmlicher Bauart, mit zwei ersten Elektroden und einem zwischen diesen angeordneten ersten Dielektrikum, ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kondensatoranordnung anzugeben, die bei Anwendung in einer Filterschaltung der vorstehend genannten Art, unter Beibehaltung der Filtereigenschaften die Baugröße der Anordnung und damit deren Platzbedarf reduziert.Starting from an arrangement with a capacitor of conventional design, with two first electrodes and a first dielectric arranged between them, the object of the invention is to provide a capacitor arrangement which, when used in a filter circuit of the type mentioned above, while maintaining the filter properties, the size of the Arrangement and thus their space requirements are reduced.

Es wurde gefunden, dass das möglich ist, wenn die Felder im ersten Dielektrikum, die durch den Gleichstromanteil der anliegenden Spannung verursacht werden, kompensiert werden. Hierzu wird ein Hilfskondensator vorgesehen, der zu einem Hauptkondensator räumlich so angeordnet ist, dass das elektrische Feld des Hilfskondensators das elektrische Feld des Hauptkondensators auslöscht, wenn der Hauptkondensator an eine erste Gleichspannung und der Hilfskondensator an eine zweite gleichgroße aber entgegengesetzt gepolte Gleichspannung angelegt ist.It was found that this is possible if the fields in the first dielectric, which are caused by the direct current component of the applied voltage, are compensated. For this purpose, an auxiliary capacitor is provided, which is spatially arranged relative to a main capacitor in such a way that the electric field of the auxiliary capacitor extinguishes the electric field of the main capacitor when the main capacitor is applied to a first DC voltage and the auxiliary capacitor to a second DC voltage of the same size but opposite polarity.

Durch die Kompensation des durch den Gleichspannungsanteil verursachten elektrischen Feldes zwischen den Elektroden des Hauptkondensators kann das erste Dielektrikum auf die zu filternde Wechselspannung ausgelegt werden, gleiches gilt für die Kapazitätsauslegung des Kondensators. Dadurch wird die Baugröße der Kondensatoranordnung gegenüber einem herkömmlichen Kondensator drastisch reduziert.By compensating for the electric field between the electrodes of the main capacitor caused by the direct voltage component, the first dielectric can be designed for the alternating voltage to be filtered; the same applies to the capacity design of the capacitor. This drastically reduces the size of the capacitor arrangement compared to a conventional capacitor.

Um die angesprochene Kompensation zu erreichen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. In einer ersten vorteilhaften Variante, ist neben dem Hauptkondensator eine weitere Elektrode vorgesehen derart, dass der Hilfskondensator zwischen dieser weiteren Elektrode und der zweiten Elektrode des Hauptkondensators ausgebildet ist, wobei die eine weitere Elektrode benachbart zu der ersten Elektrode des Hauptkondensators unter Zwischenlage eines weiteren Dielektrikums angeordnet ist. Die Elemente der Kondensatoranordnung bilden dabei ein Sandwich-Anordnung aus, wobei die sandwichartige Abfolge der Elemente der Kondensatoranordnung so getroffen ist, dass der außenliegenden weiteren Elektrode das weitere Dielektrikum, die erste Elektrode des Hauptkondensators, das erste Dielektrikum und die außenliegende zweite Elektrode des Hauptkondensators folgen. Die weitere Elektrode sowie die ersten Elektroden und die zweite Elektrode des Hauptkondensators weisen jeweils gleiche wirksame Fläche für die Feldbildung auf. Weiter ist die Dicke des weiteren Dielektrikums sehr viel kleiner gewählt, als die Dicke des ersten Dielektrikums und die relative Permittivität des ersten Dielektrikums ist deutlich höher gewählt, als die relative Permittivität des zweiten Dielektrikums.There are different options for achieving the compensation mentioned. In a first advantageous variant, a further electrode is provided next to the main capacitor in such a way that the auxiliary capacitor is formed between this further electrode and the second electrode of the main capacitor, the one further electrode being arranged adjacent to the first electrode of the main capacitor with the interposition of a further dielectric is. The elements of the capacitor arrangement form a sandwich arrangement, the sandwich-like sequence of the elements of the capacitor arrangement being such that the further external electrode is followed by the further dielectric, the first electrode of the main capacitor, the first dielectric and the external second electrode of the main capacitor . The further electrode as well as the first electrodes and the second electrode of the main capacitor each have the same effective area for field formation. Furthermore, the thickness of the further dielectric is chosen to be much smaller than the thickness of the first dielectric ricum and the relative permittivity of the first dielectric is chosen to be significantly higher than the relative permittivity of the second dielectric.

Alternativ lässt sich die oben angesprochene Kompensation des elektrischen Feldes vorteilhaft auch dadurch erreichen, dass der Hilfskondensator zwischen einer ersten weiteren Elektrode und einer zweiten weiteren Elektrode ausgebildet ist, wobei die weiteren Elektroden den Hauptkondensator unter Zwischenlage von jeweils einem weiteren Dielektrikum einschließen. Die Elemente der Kondensatoranordnung bilden somit eine Sandwich-Anordnung aus, wobei die sandwichartige Abfolge der Elemente der Kondensatoranordnung so getroffen ist, dass der ersten außenliegenden weiteren Elektrode ein weiteres Dielektrikum die erste Elektrode des Hauptkondensators, das erste Dielektrikum, die zweite Elektrode des Hauptkondensators, ein weiteres Dielektrikum und eine außenliegende zweite weitere Elektrode folgen. Die weiteren Elektroden und die ersten Elektroden weisen jeweils gleiche wirksame Flächen für die Feldbildung auf, die Dicke des zweiten Dielektrikums ist sehr viel kleiner gewählt, als die Dicke des ersten Dielektrikums und die relative Permittivität des ersten Dielektrikums ist deutlich höher gewählt, als die relative Permittivität des zweiten Dielektrikums.Alternatively, the above-mentioned compensation of the electric field can also advantageously be achieved in that the auxiliary capacitor is formed between a first further electrode and a second further electrode, the further electrodes enclosing the main capacitor with the interposition of a further dielectric in each case. The elements of the capacitor arrangement thus form a sandwich arrangement, the sandwich-like sequence of the elements of the capacitor arrangement being such that the first external further electrode is provided with a further dielectric, the first electrode of the main capacitor, the first dielectric, the second electrode of the main capacitor further dielectric and a second external electrode follow. The further electrodes and the first electrodes each have the same effective areas for field formation, the thickness of the second dielectric is chosen to be much smaller than the thickness of the first dielectric and the relative permittivity of the first dielectric is chosen to be significantly higher than the relative permittivity of the second dielectric.

Um die notwendigen Kapazitäten auf engem Raum zu realisieren ist es von Vorteil, die Kondensatoranordnung als Wickelkondensatoranordnung auszubilden, wobei die Sandwich-Anordnung unter Zwischenlage einer Isolierschicht zu einem Wickel aufgewickelt ist.In order to realize the necessary capacitances in a small space, it is advantageous to design the capacitor arrangement as a wound capacitor arrangement, with the sandwich arrangement being wound into a coil with an insulating layer in between.

Eine weitere Möglichkeit eine hohe Packungsdichte zu erzielen, besteht vorteilhaft darin, die Kondensatoranordnung als Stapelkondensator auszubilden derart, dass eine Vielzahl von Sandwichanordnungen jeweils unter Zwischenlage einer Isolierschicht aufeinandergestapelt ist. Jeweils in ihrer Funktion gleiche Elektroden des Stapels sind dabei elektrisch leitend verbunden.Another way to achieve a high packing density is advantageously to design the capacitor arrangement as a stacked capacitor in such a way that a large number of sandwich arrangements are stacked on top of each other with an insulating layer in between. Electrodes of the stack that have the same function are connected in an electrically conductive manner.

Erfindungsgemäß ist die Kondensatoranordnung in einer Spannungsversorgung für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs zwischen einem Hochvolt-Akkumulator und einem Wechselrichter, mit dem Hauptkondensator parallel zu den Gleichspannungseingängen des Wechselrichters angeordnet. Bei dem Wechselrichter handelt es sich erfindungsgemäß um einen 3-Phasen-Pulswechselrichter.According to the invention, the capacitor arrangement is arranged in a power supply for driving an electric vehicle between a high-voltage battery and an inverter, with the main capacitor parallel to the DC voltage inputs of the inverter. According to the invention, the inverter is a 3-phase pulse inverter.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 Prinzipdarstellung einer ersten Ausbildungsform der Kondensatoranordnung
2 Prinzipdarstellung einer zweiten Ausbildungsform der Kondensatoranordnung
3 Anwendungsbeispiel in einer Spannungsversorgung für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs

Further refinements and advantages of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:

1 Principle representation of a first embodiment of the capacitor arrangement
2 Principle representation of a second embodiment of the capacitor arrangement
3 Application example in a power supply for driving an electric vehicle

Die Darstellung in 1 zeigt perspektivisch, in einer Prinzipdarstellung, einen Hauptkondensator bestehend aus zwei Elektroden 1.11, 1.12, zwischen denen ein erstes Dielektrikum 1.2 angeordnet ist. Benachbart zu einer ersten Elektrode 1.11 des Hauptkondensators 1 ist eine weitere Elektrode 2.1 unter Zwischenlage eines zweiten Dielektrikums 4 angeordnet. Die weitere Elektrode 2.1 bildet mit der nicht zu ihr benachbarten zweiten Elektrode 1.12 des Hauptkondensators 1 einen Hilfskondensator. Räumlich gesehen ist die Anordnung sandwichartig ausgebildet, wobei in der Darstellung von links nach rechts gesehen zunächst die weitere Elektrode 2.1, das weitere Dielektrikum 4, die erste Elektrode 1.11 des Hauptkondensators 1, das Dielektrikum 1.2 des Hauptkondensators 1 und die zweite Elektrode 1.12 des Hauptkondensators folgen. Wie der Darstellung in 1 entnehmbar, sind die Elektroden der Sandwich-Anordnung, also die weitere Elektrode 2.1 und die Elektroden 1.11, 1.12 des Hauptkondensators 1 hinsichtlich ihrer feldbildenden Flächen gleich groß ausgeführt. Weiter ist das Dielektrikum 1.2 des Hauptkondensators 1 sehr viel dicker gewählt, als die Dicke des weiteren Dielektrikums 4. Durch die Dickenauslegung der Dielektrika 1.2, 4 wird erreicht, dass die Feldkompensation möglichst ideal funktioniert (möglichst dünne Hilfsdielektrika), sowie, dass das Hauptdielektrikum neben der Feldkompensation eine Reserve an Durchschlagsfestigkeit mitbringt. Die Dickenauslegung hat zwei Gründe. Zum einen wird die Dicke des Hilfsdielektrikums so dünn wie möglich gewählt, um eine möglichst ideale Feldkompensation im Hauptdielektrikum zu erreichen. Die Dicke des Hauptdielektrikums ist eine Folge aus der Durchschlagsfestigkeit von Dielektrika mit extrem hoher Permittivität (siehe hierzu „Ferroelektrika“).The representation in 1 shows in perspective, in a schematic diagram, a main capacitor consisting of two electrodes 1.11, 1.12, between which a first dielectric 1.2 is arranged. A further electrode 2.1 is arranged adjacent to a first electrode 1.11 of the main capacitor 1 with the interposition of a second dielectric 4. The further electrode 2.1 forms an auxiliary capacitor with the second electrode 1.12 of the main capacitor 1 that is not adjacent to it. Seen spatially, the arrangement is designed like a sandwich, with the further electrode 2.1, the further dielectric 4, the first electrode 1.11 of the main capacitor 1, the dielectric 1.2 of the main capacitor 1 and the second electrode 1.12 of the main capacitor following in the illustration from left to right . As shown in 1 can be removed, the electrodes of the sandwich arrangement, i.e. the further electrode 2.1 and the electrodes 1.11, 1.12 of the main capacitor 1, are of the same size with regard to their field-forming surfaces. Furthermore, the dielectric 1.2 of the main capacitor 1 is chosen to be much thicker than the thickness of the further dielectric 4. The thickness design of the dielectrics 1.2, 4 ensures that the field compensation works as ideally as possible (auxiliary dielectrics that are as thin as possible), and that the main dielectric next to The field compensation provides a reserve of dielectric strength. The thickness design has two reasons. On the one hand, the thickness of the auxiliary dielectric is chosen to be as thin as possible in order to achieve the ideal possible field compensation in the main dielectric. The thickness of the main dielectric is a consequence of the dielectric strength of dielectrics with extremely high permittivity (see “Ferroelectrics”).

Hinsichtlich der Durchschlagsfestigkeit sind die Dielektrika 1.2, 4 wie folgt ausgelegt: Das Hilfsdielektrikum wird so dünn gemacht, wie es seine Durchschlagsfestigkeit erlaubt, das Hauptdielektrikum wird so dick ausgelegt wie nötig, um die Wechselspannungsanteile, welche ja nicht kompensiert werden, tragen zu können. In der Praxis kann es infolge von Toleranzen und suboptimaler oder leicht verzögerter E-Feld-Kompensation nötig sein, das Hauptdielektrikum mit einer Reserve in puncto Dicke zu versehen. Was die Permittivität der Dielektrika 1.2, 4 angeht folgt die Auslegung folgender Prämisse: Das Hilfsdielektrikum kann bzw. soll gering ausfallen. Die durch das Hilfsdielektrikum entstehende Kapazität wird funktional nicht genutzt sondern ist Mittel zum Zweck. Das Hauptdielektrikum ist so hoch anzusetzen wie möglich, geeignete Materialien hierzu sind beispielsweise Ferroelektrika.With regard to the dielectric strength, the dielectrics 1.2, 4 are designed as follows: The auxiliary dielectric is made as thin as its dielectric strength allows, the main dielectric is made as thick as necessary in order to be able to carry the alternating voltage components, which are not compensated for. In practice, due to tolerances and suboptimal or slightly delayed E-field compensation, it may be necessary to provide the main dielectric with a reserve in terms of thickness. As far as the permittivity of the dielectrics 1.2, 4 is concerned, the interpretation follows the following premise: The auxiliary dielectric can or should be low. The capacity created by the auxiliary dielectric is not used functionally but is a means to an end. The main dielectric should be set as high as possible; suitable materials for this are, for example, ferroelectrics.

Legt man nun bei einer derart ausgelegten Kondensatoranordnung eine erste Gleichspannungsquelle U1 mit ihrem Pluspol an die erste Elektrode 1.11 des Hauptkondensators 1 und mit ihrem Minuspol an die zweite Elektrode 1.12 des Hauptkondensators und legt man weiter den Pluspol einer weiteren Gleichspannungsquelle U2 an die zweite Elektrode 1.12 und den Minuspol dieser zweiten Spannungsquelle U2 an die weitere Elektrode 2.1, wobei die Spannungen der ersten Gleichspannungsquelle U1 und der zweiten Gleichspannungsquelle U2 betragsmäßig gleich groß sind, wird das elektrische Feld im Dielektrikum 1.2 des Hauptkondensators 1 zu Null, weil sich die durch die beiden angelegten Gleichspannungen U1, U2 erzeugten Felder auslöschen. Ist die Gleichspannung der ersten Gleichspannungsquelle U1 von einer Wechselspannung überlagert, so ist nur diese im Hauptkondensator 1 wirksam, so dass dann, wenn die Kondensatoranordnung in einer Filterschaltung eingesetzt wird, die Kapazität des Hauptkondensators auf die auszufilternde Wechselspannung ohne Berücksichtigung der Gleichspannungsanteile ausgelegt werden kann.With a capacitor arrangement designed in this way, you now place a first DC voltage source U1 with its positive pole on the first electrode 1.11 of the main capacitor 1 and with its negative pole on the second electrode 1.12 of the main capacitor and you further place the positive pole of a further DC voltage source U2 on the second electrode 1.12 and the negative pole of this second voltage source U2 to the further electrode 2.1, whereby the voltages of the first DC voltage source U1 and the second DC voltage source U2 are equal in magnitude, the electric field in the dielectric 1.2 of the main capacitor 1 becomes zero because the DC voltages applied by the two DC voltages Delete fields created by U1, U2. If the direct voltage of the first direct voltage source U1 is superimposed by an alternating voltage, then only this is effective in the main capacitor 1, so that when the capacitor arrangement is used in a filter circuit, the capacitance of the main capacitor can be designed for the alternating voltage to be filtered out without taking the direct voltage components into account.

Für die Wirkungsweise der Anordnung spielt der parasitäre Kondensator 3, der sich durch elektrische Influenz zwischen der ersten Elektrode des Hauptkondensators 1.11 und der weiteren Elektrode 2.1 unter Zwischenlage des weiteren Dielektrikums 4 ausbildet, die entscheidende Rolle. Die Wirkungsweise der Anordnung basiert auf dem Phänomen der elektrischen Influenz. Es handelt sich im Grunde um ein Inverses Vorgehen, wie es in Verbindung mit dem „Maxwell'schen Doppelplattenversuch“ beschrieben ist. Die Wirkungsweise geht mit der beim Maxwell'schen Doppelplattenversuch beschriebenen einher. Die dabei nach Trennen der Plättchen auftretende Spannung, welche zur Feldfreiheit zwischen den Plättchen führt, wird im Fall der vorliegenden Erfindung extern erzeugt. Sie ist dabei als Spannung am Hauptkondensator zu verstehen. Die außenliegende Spannung, ist dabei die Spannung am Hilfskondensator. Zum „Maxwell'schen Doppelplattenversuch“ wird auf die Publikation „Taschenbuch der Elektrotechnik“ (Kories / Schmidt-Walter; Verlag Harri Deutsch; ISBN 978-3-8171-1858-8) verwiesen.The parasitic capacitor 3, which is formed by electrical influence between the first electrode of the main capacitor 1.11 and the further electrode 2.1 with the interposition of the further dielectric 4, plays the decisive role in the operation of the arrangement. The operation of the arrangement is based on the phenomenon of electrical influence. It is basically an inverse procedure, as described in connection with the “Maxwell double plate experiment”. The mode of operation is similar to that described in Maxwell's double plate experiment. The voltage that occurs after the platelets are separated, which leads to the absence of fields between the platelets, is generated externally in the case of the present invention. It is to be understood as the voltage at the main capacitor. The external voltage is the voltage at the auxiliary capacitor. For “Maxwell's double plate experiment” please refer to the publication “Pocketbook of Electrical Engineering” (Kories / Schmidt-Walter; Verlag Harri Deutsch; ISBN 978-3-8171-1858-8).

Eine alternative Ausbildungsform der Kondensatoranordnung ist in 2 ebenfalls perspektivisch in einer Prinzipdarstellung gezeigt. Hier ist ein Hauptkondensator 11 vorgesehen, der aus einer ersten Elektrode 11.11, einer zweiten Elektrode 11.12 und einem zwischen den Elektroden 11.11, 11.12 angeordneten Dielektrikum 11.2 besteht. Dieser Hauptkondensator 11 ist zwischen einer ersten weiteren Elektrode 12.11 und einer zweiten weiteren Elektrode 12.12 angeordnet, derart, dass (in der Darstellung gemäß 2 links) die erste weitere Elektrode 12.11 und die erste Elektrode 11.11 unter Zwischenlage eines weiteren Dielektrikums 14.1 einander gegenüber und (in der Darstellung gemäß 2 rechts) die zweite weitere Elektrode 12.12 und die zweite Elektrode 11.12 unter Zwischenlage eines weiteren Dielektrikums 14.1 einander gegenüberliegen. Räumlich gesehen ist die Anordnung auch hier sandwichartig ausgebildet, wobei in der Darstellung von links nach rechts gesehen, der außenliegenden ersten weiteren Elektrode 12.11 ein weiteres Dielektrikum 14.1, eine erste Elektrode11.11 des Hauptkondensators 11, das erste Dielektrikum 11.2, die zweite Elektrode 11.12 des Hauptkondensators 11, ein weiteres Dielektrikum 14.1 und eine außenliegende zweite weitere Elektrode 12.12 folgen. Wie der Darstellung in 2 entnehmbar, weisen die weiteren Elektroden 12.11, 12.12 und die ersten Elektroden 11.11, 11.12 jeweils gleiche wirksame Flächen für die Feldbildung auf. Die Dicke des zweiten Dielektrikums 14.1 ist sehr viel kleiner gewählt, als die Dicke des ersten Dielektrikums 11.2 und die relative Permittivität des ersten Dielektrikums 11.2 ist sehr viel höher gewählt, als die des zweiten Dielektrikums 14.1. Dabei spielt nicht das Verhältnis der Permittivitäten zueinander die entscheidende Rolle. Über die Größe der Permittivität wird die Höhe der Hauptkapazität bestimmt.An alternative design of the capacitor arrangement is in 2 also shown in perspective in a schematic diagram. A main capacitor 11 is provided here, which consists of a first electrode 11.11, a second electrode 11.12 and a dielectric 11.2 arranged between the electrodes 11.11, 11.12. This main capacitor 11 is arranged between a first further electrode 12.11 and a second further electrode 12.12, such that (in the illustration according to 2 left) the first further electrode 12.11 and the first electrode 11.11 with the interposition of a further dielectric 14.1 opposite one another and (in the illustration according to 2 right) the second further electrode 12.12 and the second electrode 11.12 lie opposite one another with the interposition of a further dielectric 14.1. Seen spatially, the arrangement here is also designed like a sandwich, with the external first further electrode 12.11 being a further dielectric 14.1, a first electrode 11.11 of the main capacitor 11, the first dielectric 11.2, the second electrode 11.12 of the Main capacitor 11, another dielectric 14.1 and an external second further electrode 12.12 follow. As shown in 2 removable, the further electrodes 12.11, 12.12 and the first electrodes 11.11, 11.12 each have the same effective areas for field formation. The thickness of the second dielectric 14.1 is chosen to be much smaller than the thickness of the first dielectric 11.2 and the relative permittivity of the first dielectric 11.2 is chosen to be much higher than that of the second dielectric 14.1. The ratio of the permittivities to one another does not play the decisive role. The level of the main capacity is determined by the size of the permittivity.

Legt man bei einer Kondensatoranordnung gemäß der Darstellung in 2 eine erste Gleichspannungsquelle U1 mit ihrem Pluspol an die erste Elektrode 11.11 des Hauptkondensators 11 und mit ihrem Minuspol an die zweite Elektrode 11.12 des Hauptkondensators 11 und legt man weiter den Pluspol einer weiteren Gleichspannungsquelle U2 an die erste weitere Elektrode 12.11 und den Minuspol dieser zweiten Gleichspannungsquelle U2 an die zweite weitere Elektrode 12.12, wobei die Spannungen der ersten Gleichspannungsquelle U1 und der zweiten Gleichspannungsquelle U2 betragsmäßig gleich groß sind, wird das elektrische Feld im Dielektrikum 11.2 des Hauptkondensators 11 zu Null, weil sich die durch die beiden angelegten Gleichspannungen U1, U2 erzeugten Felder auslöschen. Ist die Gleichspannung der ersten Gleichspannungsquelle U1 von einer Wechselspannung überlagert, so ist nur diese im Hauptkondensator 11 wirksam, so dass dann, wenn die Kondensatoranordnung in einer Filterschaltung eingesetzt wird, die Kapazität des Hauptkondensators auf die auszufilternde Wechselspannung ohne Berücksichtigung der Gleichspannungsanteile ausgelegt werden kann.If you place a capacitor arrangement as shown in 2 a first DC voltage source U1 with its positive pole to the first electrode 11.11 of the main capacitor 11 and with its negative pole to the second electrode 11.12 of the main capacitor 11 and you further connect the positive pole of a further DC voltage source U2 to the first further electrode 12.11 and the negative pole of this second DC voltage source U2 to the second further electrode 12.12, with the voltages of the first DC voltage source U1 and the second DC voltage source U2 having the same magnitude, the electric field in the dielectric 11.2 of the main capacitor 11 becomes zero because the fields generated by the two applied DC voltages U1, U2 wipe out. If the direct voltage of the first direct voltage source U1 is superimposed by an alternating voltage, then only this is effective in the main capacitor 11, so that when the capacitor arrangement is used in a filter circuit, the capacitance of the main capacitor can be designed for the alternating voltage to be filtered out without taking the direct voltage components into account.

Für die Wirkungsweise der Anordnung spielen die parasitären Kondensatoren 13.1, 13.2, die sich durch elektrische Influenz zwischen der ersten Elektrode 11.11 des Hauptkondensators 11 und der weiteren Elektrode 12.11 sowie zwischen der zweiten Elektrode 11.12 des Hauptkondensators 11 und der zweiten weiteren Elektrode 12.12 jeweils unter Zwischenlage des weiteren Dielektrikums 14.1 ausbildet, die entscheidende Rolle. Hinsichtlich der Wirkungsweise wird, um Wiederholungen zu vermeiden, auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Dort sind die Wirkzusammenhänge in Verbindung mit dem Beispiel nach 1 und unter Hinweis auf den „Maxwell'schen Doppelplattenversuch“ dargelegt.The parasitic capacitors 13.1, 13.2, which are formed by electrical influence between the first electrode 11.11 of the main capacitor 11 and the further electrode 12.11 and between the two, play a role in the operation of the arrangement th electrode 11.12 of the main capacitor 11 and the second further electrode 12.12, each with the interposition of the further dielectric 14.1, plays the decisive role. With regard to the mode of operation, in order to avoid repetition, reference is made to the above statements. There are the causal relationships in connection with the example 1 and with reference to the “Maxwell double plate experiment”.

Eine Anwendung der Kondensatoranordnung gemäß 1 oder 2 zeigt die Darstellung in 3 in Form eines Prinzipschaltbildes. An application of the capacitor arrangement according to 1 or 2 shows the representation in 3 in the form of a schematic diagram.

Vorauszuschicken ist hier, dass es zum Antrieb von elektrisch betriebenen Antriebsmotoren im Fahrzeugbereich gebräuchlich ist einen Hochvolt-Akkumulator einzusetzen, dessen Gleichspannung mittels Wechselrichtern in eine bevorzugt 3-phasige Wechselspannung umgewandelt wird, um mit dieser Drehstrommotoren zum Erzeugen von Traktionskräften zu betreiben. Bei den Wechselrichtern handelt es sich heute üblicherweise um Pulswechselrichter, diese wandeln eine Gleichspannung mittels Schalttransistoren, die üblicherweise mit Schaltfrequenzen bis zu einigen 10 kHz im Chopperbetrieb arbeiten, in eine Wechselspannung um. Mit den Transistoren als Schaltelemente wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) im Chopperbetrieb eine Sinus-Wechselspannung aus kurzen Pulsen hoher Frequenz nachgebildet (Sinus-Wechselrichter). Die Transistoren polen die Gleichspannung mit hoher Frequenz periodisch um. Der Mittelwert der hochfrequenten, pulsweitenmodulierten Schaltfrequenz ist die Ausgangs-Wechselspannung. Man setzt also die Ausgangs-wechselspannung aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammen und nähert so den Spannungsverlauf an einen sinusförmigen Spannungsverlauf an. Um eine 3-phasige Wechselspannung zu erzeugen, kommen 3-phasige Pulswechselrichter zum Einsatz. Durch die Schaltvorgänge der Transistoren kommt es auf der Gleichstromseite des Pulswechselrichters zu Schaltspannungsspitzen die eliminiert werden müssen. Hierzu kommt der in Verbindung mit den Beispielen nach 1 oder 2 beschriebene gleichspannungskompensierte Kondensator zum Einsatz. Eine Anordnung der vorstehend beschriebenen Art ist in 3 dargestellt. Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild mit einem Hochvolt-Akkumulator 21, an den ein 3-Phasen-Pulswechselrichter 22 angeschlossen ist. Die Ausgänge des 3-Phasen-Pulswechselrichters 22 sind mit einer elektrischen Maschine 23 zur Fahrzeugtraktion verbunden. Es handelt sich dabei um einen Drehstrommotor 24, dessen Wicklungen 25 in Sternschaltung betrieben sind und dessen Rotor (nichtdargestellt) eine Abtriebswelle 23a der elektrischen Maschine 23 antreibt. Auf der Gleichstromseite des 3-Phasen- Pulswechselrichters 22 ist die in 2 gezeigte Kondensatoranordnung, die nachfolgend als gleichspannungskompensierter Kondensator 26 bezeichnet wird, parallel zum 3-Phasen-Pulswechselrichter 22 an den Hochvolt-Akkumulator 21 angeschlossen. Der gleichspannungskompensierte Kondensator 26 kann dabei, wie durch die strichpunktierte Linie angedeutet, in baulicher Einheit mit dem 3-Phasen-Pulswechselrichter 22 ausgeführt sein. Die Bezugszeichen für Teile der Kondensatoranordnung, soweit sie in 3 dargestellt sind, wurden aus 2 übernommen. Der Hauptkondensator 11 liegt an der von dem Hochvolt-Akkumulator 21 gelieferten Versorgungspannung, wobei der Hochvolt-Akkumulator 21 hier der ersten Gleichspannungsquelle U1 gemäß 2 entspricht. Der Hilfskondensator 12 ist an eine zweite Spannungsquelle 27 angeschlossen, die der weiteren Spannungsquelle U2 aus 2 entspricht. Die Polung des Hochvolt-Akkumulators 21 und der zweiten Spannungsquelle 27, also der ersten Spannungsquelle U1 und der weiteren Spannungsquelle U2, entspricht der in 2 gezeigten und in Verbindung mit 2 beschriebenen Polung, die Gleichspannungsanteile der beiden Spannungsquellen sind betragsmäßig gleich groß.It should be noted here that to drive electrically operated drive motors in the vehicle sector, it is common practice to use a high-voltage battery, the direct voltage of which is converted into a preferably 3-phase alternating voltage using inverters in order to use this to operate three-phase motors to generate traction forces. Today's inverters are usually pulse inverters; these convert a direct voltage into an alternating voltage using switching transistors, which usually work with switching frequencies of up to a few 10 kHz in chopper mode. Using the transistors as switching elements, a sine-wave alternating voltage is created from short, high-frequency pulses using pulse width modulation (PWM) in chopper mode (sine-wave inverter). The transistors periodically reverse the polarity of the DC voltage at high frequency. The average value of the high-frequency, pulse-width-modulated switching frequency is the output alternating voltage. The output alternating voltage is made up of small pulses of different widths and the voltage curve is approximated to a sinusoidal voltage curve. To generate a 3-phase alternating voltage, 3-phase pulse inverters are used. The switching processes of the transistors result in switching voltage peaks on the DC side of the pulse inverter that must be eliminated. This will be discussed in conjunction with the examples 1 or 2 DC voltage compensated capacitor described is used. An arrangement of the type described above is in 3 shown. The figure shows a simplified block diagram with a high-voltage battery 21 to which a 3-phase pulse inverter 22 is connected. The outputs of the 3-phase pulse inverter 22 are connected to an electrical machine 23 for vehicle traction. This is a three-phase motor 24, whose windings 25 are operated in a star connection and whose rotor (not shown) drives an output shaft 23a of the electrical machine 23. On the direct current side of the 3-phase pulse inverter 22 is the in 2 Capacitor arrangement shown, which is hereinafter referred to as DC-compensated capacitor 26, is connected to the high-voltage battery 21 in parallel with the 3-phase pulse inverter 22. The DC-compensated capacitor 26 can, as indicated by the dash-dotted line, be designed in a structural unit with the 3-phase pulse inverter 22. The reference numbers for parts of the capacitor arrangement, as far as they are in 3 are shown were made 2 accepted. The main capacitor 11 is connected to the supply voltage supplied by the high-voltage battery 21, with the high-voltage battery 21 here corresponding to the first DC voltage source U1 2 corresponds. The auxiliary capacitor 12 is connected to a second voltage source 27, which is the further voltage source U2 2 corresponds. The polarity of the high-voltage battery 21 and the second voltage source 27, i.e. the first voltage source U1 and the further voltage source U2, corresponds to that in 2 shown and in connection with 2 Polarity described, the DC voltage components of the two voltage sources are the same in magnitude.

Durch den gleichstromkompensierten Kondensator 26 werden die durch den 3-Pasen Pulswechselrichter 22 verursachten Schaltspannungsspitzen weitgehend eliminiert.The DC-compensated capacitor 26 largely eliminates the switching voltage peaks caused by the 3-phase pulse inverter 22.

Die Einbindung einer Kondensatoranordnung nach 1 an Stelle der Kondensatoranordnung nach 2 erfolgt analog. Es kann also in 3 an Stelle des gleichspannungskompensierten Kondensators 26 ein gleichspannungskompensierter Kondensator entsprechend der Kondensatoranordnung nach 1 treten. Da es sich lediglich um einen Austausch handelt und sich an der Wirkungsweise der Anordnung gemäß 3 durch den Austausch nichts ändert, erübrigt sich eine nochmalige Darstellung und Beschreibung einer solchen Anordnung.The integration of a capacitor arrangement 1 instead of the capacitor arrangement 2 takes place analogously. So it can be in 3 Instead of the DC-compensated capacitor 26, a DC-compensated capacitor according to the capacitor arrangement 1 step. Since it is just an exchange and the way it works is in accordance with the arrangement 3 If nothing changes as a result of the exchange, there is no need to present and describe such an arrangement again.

Claims

Capacitor arrangement consisting of a main capacitor with a first electrode (11.11), a second electrode (11.12) and a first dielectric (11.12) arranged between the first electrode 11.11 and the second electrode 11.12, an auxiliary capacitor 12 being provided, which is spatially connected to the main capacitor 11 it is arranged that the electric field of the auxiliary capacitor 12 extinguishes the electric field of the main capacitor 11 when the main capacitor 11 is connected to a first DC voltage source (U1) and the auxiliary capacitor 12 is applied to a second DC voltage source (U2) of the same size but with opposite polarity, the auxiliary capacitor (12) between a first th further electrode (12.11) and a second further electrode (12.12), the further electrodes (12.11, 12.12) enclosing the main capacitor (11) with the interposition of a further dielectric (14.1) in such a way that the elements of the capacitor arrangement Form a sandwich arrangement, and the sandwich-like sequence of the elements of the capacitor arrangement is such that the external first further electrode (12.11) has the further dielectric (14.1), a first electrode (11.11) of the main capacitor (11), the first dielectric ( 11.2), the second electrode (11.12) of the main capacitor (11), the further dielectric (14.1) and an external second further electrode (12.12) follow, the further electrodes (12.11, 12.12) and the first electrode (11.11) and the second electrode (11.12) each have the same effective areas for field formation, the thickness of the further dielectric (14.1) is chosen to be much smaller than the thickness of the first dielectric (11.2) and the relative permittivity of the first dielectric (11.2) is chosen to be significantly higher is, as the relative permittivity of the further dielectric (14.1), and wherein the capacitor arrangement is arranged in a voltage supply for driving an electric vehicle between a high-voltage battery (21) and an inverter, with the main capacitor (11) parallel to the DC voltage inputs of the inverter is, and the inverter is a 3-phase pulse inverter.