DE102018219218A1

DE102018219218A1 - Kondensatoranordnung

Info

Publication number: DE102018219218A1
Application number: DE102018219218.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Apelsmeier; Maximilian Schiedermeier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung (2) für ein Fahrzeug, die mehrere Einzelmodule (4a, 4b, 4c, 4d) aufweist, wobei jeweils ein Einzelmodul (4a, 4b, 4c, 4d) eine erste und eine zweite Stromschiene (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d) aufweist, zwischen denen mindestens ein Einzelkondensator angeordnet ist, wobei sämtliche Einzelmodule (4a, 4b, 4c, 4d) räumlich übereinander gestapelt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung.
Ein Stromkreis kann als ein Bauteil einen Kondensator aufweisen, dessen Kapazität u. a. von seinem Aufbau und seinen Abmessungen abhängig ist. Entsprechend ist auch eine parasitäre Induktivität des Kondensators von seinem Aufbau und seinen Abmessungen abhängig.
Die Druckschrift DE 10 2008 050 452 A1 beschreibt eine Kondensatoranordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Kondensatoranordnung.
Ein elektrischer Kondensator ist aus der Druckschrift DE 10 2012 222 704 A1 bekannt.
Ein Metallfilmkondensator für einen Fahrzeugantriebsmotor ist in der Druckschrift EP 1 868 217 A1 beschrieben.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, einen großen Kondensator mit großer Kapazität und möglichst kleiner Induktivität zu realisieren.
Diese Aufgabe wird mit einer Kondensatoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Kondensatoranordnung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung ist für ein Fahrzeug, bspw. ein Kraftfahrzeug bzw. ein Auto, vorgesehen und weist mehrere Einzelmodule auf, wobei jeweils ein Einzelmodul eine erste, bspw. positive Stromschiene und eine zweite, bspw. negative Stromschiene aufweist, zwischen denen mindestens ein Einzelkondensator des jeweiligen Einzelmoduls angeordnet ist, wobei der mindestens eine Einzelkondensator, in der Regel mehrere Einzelkondensatoren, zwischen zwei Stromschienen jeweils eines Einzelmoduls jeweils eine Schicht bildet bzw. bilden, wobei sämtliche Schichten und Stromschienen, ähnlich zu Stockwerken eines Gebäudes, räumlich übereinander gestapelt und zueinander parallel angeordnet sind.
Dabei sind zwei unmittelbar benachbarte Schichten, die jeweils mindestens einen Einzelkondensator aufweisen, durch jeweils zwei Stromschienen bzw. Sammelschienen bzw. Busbars von zwei unmittelbar benachbarten Einzelmodulen voneinander getrennt. Jedes Einzelmodul kann mindestens einen Einzelkondensator, d. h. einen Einzelkondensator oder mehrere, ggf. einige Dutzend oder einige hundert Einzelkondensatoren aufweisen. Ein Einzelkondensator kann bspw. als Folienwickel realisiert sein, was hunderten parallelen Einzelkondensatoren in einer Schicht eines Einzelmoduls entsprechen kann. Dabei sind mehrere Einzelkondensatoren in der Regel parallel angeordnet und/oder geschaltet. Die Stromschienen bzw. Busbars können planar und die dazwischen angeordnete Schicht aus Einzelkondensatoren jeweils eines Einzelmoduls kann bspw. quaderförmig ausgebildet sein. Die Einzelkondensatoren sind bspw. zylinderförmig ausgebildet, wobei jeder Einzelkondensator eine zentrale Achse aufweist, die senkrecht zu den Stromschienen orientiert ist. Die Einzelkondensatoren innerhalb einer Schicht bilden bspw. eine Matrix aus mehreren spaltenförmig angeordneten Reihen und aus mehreren zeilenförmig angeordneten Reihen, wobei diese Reihen mehrere parallel nebeneinander angeordnete Einzelkondensatoren aufweisen.
Mindestens ein bspw. zylinderförmiger Einzelkondensator kann ein Dielektrikum aus Kunststoff oder aus Keramik aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Schicht jeweils eines Einzelmoduls mehrere Einzelkondensatoren aufweist, die als Dielektrikum sowohl Kunststoff als auch Keramik aufweisen. Dabei kann mindestens ein erster Einzelkondensator des Einzelmoduls bspw. als Folienwickel ausgebildet sein. Ferner kann mindestens ein zweiter Einzelkondensator desselben Einzelmoduls alternativ oder zusätzlich mindestens einen Keramikköper aufweisen. Bei einem Folienwickel können zwei Metallfolien und zwei dazwischen liegende Kunststofffolien zylinderförmig aufgewickelt sein. Alternativ dazu können auch mit Metall beschichtete Kunststofffolien zu einem zylinderförmigen Folienwickel aufgewickelt sein. Die Folienwickel werden erfindungsgemäß in mehreren Schichten bzw. Lagen stockwerkartig übereinander geschichtet. Jede Schicht hat ihr eigenes Busbarsystem und somit eigene Stromschienen.
Die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung realisiert eine große bzw. großbauende Kondensatoranordnung mit einer großen Kapazität und einer möglichst kleinen Induktivität.
In Ausgestaltung sind gleichartig gepolte bzw. gleichpolige Stromschienen von mindestens zwei Einzelmodulen, bspw. von zwei unmittelbar benachbarten Einzelmodulen, miteinander elektrisch leitend verbunden. Somit können eine positive Stromschiene eines ersten Einzelmoduls und eine positive Stromschiene eines zweiten Einzelmoduls miteinander leitend verbunden sein. Entsprechend können eine negative Stromschiene des ersten Einzelmoduls und eine negative Stromschiene des zweiten Einzelmoduls miteinander leitend verbunden sein. Die Stromschienen gleicher Polarität werden vorzugsweise an denjenigen Stellen miteinander verbunden, an denen jeweils auch ein Anschluss eines jeweiligen Halbleitermoduls mit der Kondensatoranordnung verbunden wird. Dabei können die Stromschienen gleicher Polarität auch bereits innerhalb der Kondensatoranordnung miteinander verbunden werden.
Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, dass gleichartig gepolte Stromschienen von mindestens zwei bspw. unmittelbar benachbarten Einzelmodulen voneinander elektrisch isoliert sind, wobei zwischen diesen Stromschienen ein Isolationsmaterial, bspw. eine Isolationsfolie, die aus einem Kunststoff gebildet sein kann, angeordnet ist. Somit können eine positive Stromschiene eines ersten Einzelmoduls und eine positive Stromschiene eines unmittelbar benachbarten zweiten Einzelmoduls voneinander elektrisch isoliert sein. Entsprechend können eine negative Stromschiene eines ersten Einzelmoduls und eine negative Stromschiene eines unmittelbar benachbarten zweiten Einzelmoduls voneinander elektrisch isoliert sein. Somit sind Stromschienen von unmittelbar benachbarten Einzelmodulen, die übereinander liegen und gleich gepolt sind, voneinander elektrisch isoliert bzw. getrennt. Eine Isolation zwischen den Stromschienen von unmittelbar benachbarten Einzelmodulen kann in Bezug auf eine Stromführung von Vorteil sein.
Außerdem können entgegengesetzt gepolte Stromschienen von zwei unmittelbar benachbarten Einzelmodulen nebeneinander angeordnet sein. Entgegengesetzt gepolte Stromschienen von zwei Einzelmodulen, insbesondere wenn sie unmittelbar benachbart angeordnet sind, sind voneinander elektrisch isoliert.
In Ausgestaltung sind die Einzelmodule innerhalb der Kondensatoranordnung elektrisch parallel geschaltet, wobei sich Kapazitäten der Einzelmodule zu einer gesamten Kapazität der Kondensatoranordnung addieren. Falls ein Einzelmodul mehrere Einzelkondensatoren aufweist, sind diese innerhalb der Schicht elektrisch parallel geschaltet, wobei sich die einzelnen Kapazitäten der Einzelkondensatoren zu einer Kapazität der jeweiligen Schicht bzw. des jeweiligen Einzelmoduls addieren.
Weiterhin ist jeweils eine Stromschiene bzw. ein Leiterblech eines Einzelmoduls aus einem leitfähigen Material, in der Regel aus Metall, insbesondere aus Kupfer gebildet.
Die vorgestellte Kondensatoranordnung ist für einen Pulswechselrichter vorgesehen, bspw. in den Pulswechselrichter integrierbar bzw. zu integrieren, und/oder mit mindestens einem Kontaktelement bzw. Kontakt des Pulswechselrichters zu verbinden bzw. verbindbar.
Weiterhin ist die Kondensatoranordnung bspw. zur Filterung und Entkopplung eines Stromkreises des Fahrzeugs ausgebildet, bspw. in den Stromkreis des Fahrzeugs integrierbar bzw. zu integrieren. Dabei kann die Kondensatoranordnung, bspw. als Komponente eines elektrischen Bauteils, einer Elektromaschine zugeordnet sein, die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, die zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet wird.
Die vorgestellte Kondensatoranordnung weist einen aus den Einzelkondensatoren der Einzelmodule gestapelten Aufbau auf, wobei dessen parasitäre Induktivität im Vergleich zu einem Blockkondensator derselben Höhe reduziert, insbesondere minimiert ist. Dabei kann die Kondensatoranordnung als Folienkondensator, der in Schichten aufgebaut ist, ausgebildet sein und/oder bezeichnet werden, wobei die Höhe jeweils eines Einzelmoduls, das den mindestens einen Einzelkondensator aufweist, ungefähr einem Bruchteil der Höhe des Blockkondensators entspricht. Die Einzelmodule der Kondensatoranordnung sind hierbei gestapelt. Ein gesamtes Volumen sämtlicher Einzelmodule der Kondensatoranordnung kann ungefähr so groß oder fast so groß wie das Volumen des Blockkondensators sein, wobei die Kapazität der aus mehreren Einzelmodulen gebildeten Kondensatoranordnung zumindest näherungsweise der Kapazität des Blockkondensators entspricht. Allerdings wird durch die Reduktion der Höhe jeweils eines Einzelmoduls der Kondensatoranordnung gegenüber der Höhe des Blockkondensators im Vergleich zu dem Blockkondensator eine Verringerung der parasitären Induktivität erreicht.
Die Kondensatoranordnung ist für ein Fahrzeug vorgesehen, das mindestens eine Elektromaschine bzw. elektrische Maschine aufweist, mit der das Fahrzeug angetrieben und/oder fortbewegt werden kann, wobei die mindestens eine Elektromaschine zur Traktion des Fahrzeugs verwendet wird. Das Fahrzeug ist bspw. als Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet und/oder zu bezeichnen. In der Regel ist die Elektromaschine als Wechselstrom- bzw. AC-Maschine, bspw. als Drehstrommaschine, ausgebildet. Dabei wird die Elektromaschine in der Regel durch einen Pulswechselrichter betrieben und geregelt. In einem bspw. als Hochspannungs- bzw. Hochvolt-DC-Kreis ausgebildeten Stromkreis des Fahrzeugs befinden sich darüber hinaus viele weitere Komponenten, insbesondere Hochspannungs- bzw. HV-Komponenten, wie etwa ein HV-12V-DC/DC-Wandler, ein Ladegerät, und einige weitere Geräte. Mindestens eine derartige Komponente, in der Regel die meisten Komponenten weisen zur Filterung und Entkopplung elektrischer Ströme bzw. Spannungen als Zwischenkreiskondensator eine Ausführungsform der Kondensatoranordnung auf. Eine derartige Komponente ist der Pulswechselrichter (PWR), der in der Regel vergleichsweise groß ausfallen kann.
Die bspw. als Zwischenkreiskondensator ausgebildete Kondensatoranordnung ist u. a. dazu ausgebildet, eine Überspannung in einem Schaltvorgang eines Halbleiterbauteils in mindestens einer der genannten Komponenten möglichst niedrig zu halten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die reale Kondensatoranordnung nicht nur eine elektrische Kapazität aufweist. Weiterhin ist insbesondere für den Schaltvorgang des Halbleiterbauteils auch die parasitäre Induktivität der Kondensatoranordnung zu berücksichtigen. Falls die mehreren Einzelmodule bzw. Schichten aus Einzelkondensatoren der Kondensatoranordnung gemeinsam ungefähr dasselbe Volumen wie der Blockkondensator aufweisen, entspricht die Kapazität der Kondensatoranordnung ungefähr der Kapazität des Blockkondensators. Allerdings ist die parasitäre Induktivität geringer als jene des Blockkondensators.
Zwischen einer Überspannung U_Überspannung eines Schaltvorgangs eines Halbleiterbauteils, das bspw. über einen als Kommutierungskreis ausgebildeten Stromkreis mit einem Kondensator verbunden ist, und der Induktivität L_Kondensator des Kondensators besteht für den Fall, dass ein Strom I fließt, folgender Zusammenhang: $\begin{array}{l} U_Überspannung = \\ (L_Kondensator + L_Kommutierungskreis_ohne_Kondsator) * dl/dt \end{array}$
Dabei ist die Induktivität des gesamten Kommutierungskreises ausschlaggebend, wobei die Induktivität L_Kondensator des Kondensators einen wesentlichen Anteil daran hat. Falls der Kondensator als erfindungsgemäße Kondensatoranordnung ausgebildet ist, ist die Überspannung des Kommutierungskreises geringer als in einem Kommutierungskreis, der stattdessen nur einen Blockkondensator aufweist.
Bei der beschriebenen Kondensatoranordnung sind mehrere Einzelmodule und somit entsprechend viele einzelne ganze bzw. komplette Schichten aus Einzelkondensatoren übereinander gestapelt und bspw. zueinander räumlich parallel angeordnet, wobei jedes Einzelmodul bzw. jede Schicht aus Einzelkondensatoren der Kondensatoranordnung im Vergleich zu dem Blockkondensator flach ist bzw. eine geringere Höhe aufweist. Jede Schicht aus Einzelkondensatoren ist geometrisch möglichst kurz zwischen einem Plus- und Minus-Anschluss der beiden Stromschienen eines jeweiligen Einzelmoduls angeordnet bzw. platziert und/oder eingebunden. Aufgrund einer geringen seriellen Induktivität (ESL) der Kondensatoranordnung weist dieser im Vergleich zu dem Blockkondensator eine sehr geringe Kommutierungsinduktivität auf. Außerdem kann ein EMV-Filter verkleinert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.

1 zeigt in schematischer Darstellung Beispiele für Blockkondensatoren aus dem Stand der Technik.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung.
3 zeigt in schematischer Darstellung ein Detail einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
1a zeigt das erste Beispiel des Blockkondensators 100 gemäß dem Stand der Technik, der hier als Folienkondensator ausgebildet und für einen Pulswechselrichter vorgesehen ist. Dieser Blockkondensator 100 umfasst eine Schicht 102 aus mehreren Folienwickeln und als Stromschienen 104, 106 jeweils ein Leitblech mit Kontakten 108 aus Kupfer, die mit Leitungen 112 eines Stromkreises verbunden sind. Die Leitbleche bzw. Stromschienen 104, 106 sind hier an einer linken und rechten Seite an der Schicht 102 aus Folienwickeln kontaktiert. Dabei ist zwischen den Stromschienen 104, 106 eine Isolationsfolie 110 aus einem Isoliermaterial, bspw. PTFE (Polytetrafluorethylen), angeordnet. Außerdem ist an der Schicht 102 aus Folienwickeln durch ein Flammspritzverfahren (Schooping) eine Zinkschicht 114 aufgetragen. Weiterhin umfasst der Blockkondensator 100 eine Ummantelung 116 aus Kunststoff als Gehäuse, hier aus einer Vergussmasse aus Epoxidharz.
1b zeigt das zweite Beispiel des Blockkondensators 200 gemäß dem Stand der Technik, der hier als Folienkondensator ausgebildet ist, in schematischer Schnittdarstellung. Dieser Blockkondensator 200 umfasst ebenfalls eine Schicht 202 aus Folienwickeln mit einer Querschnittsfläche, die eine Höhe H und eine Breite B aufweist, und einer Grundfläche, die die Breite B und eine Tiefe T aufweist, sowie zu der Querschnittsfläche senkrecht orientiert ist. Der Blockkondensator 200 umfasst eine erste positive Stromschiene 204 für einen positiven Anschluss 206 und eine zweite negative Stromschiene 208 für einen negativen Anschluss 210, die hier aus Kupfer und mit nicht weiter dargestellten Kontakten und/oder Leitungen eines Stromkreises verbindbar sind. Dieser Blockkondensator 200 ist für einen Pulswechselrichter vorgesehen.
Die Schicht 202 aus Folienwickeln stellt die eigentliche elektrische Kapazität des Blockkondensators 200 dar und ist zur elektrischen Kontaktierung und Stromführung auf seiner Ober- und Unterseite mit den Stromschienen 204, 208 aus Kupfer versehen. Deren Anschlüsse 206, 210 sind neben der Schicht 202 aus Folienwickeln übereinander geführt bzw. angeordnet, um eine Induktivität gering zu halten. Allerdings sind die Möglichkeiten, eine serielle Induktivität (ESL) des Blockkondensators 200 gering zu halten, sehr limitiert, da eine Höhe der seriellen Induktivität mit der Höhe H der Schicht 202 aus Folienwickeln zusammenhängt: $ESL_Blockkondensator \sim H_Blockkondensator$
Wird die Höhe H der Schicht 202 aus Folienwickeln schlicht reduziert, so sinkt auch die Querschnittsfläche des Blockkondensators 200, wodurch die Induktivität reduziert werden könnte. Allerdings sinkt damit bei gleichbleibender Höhe H auch das Volumen des Blockkondensators 200 und damit dessen Kapazität.
Bei beiden Blockkondensatoren 100, 200, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind die Folienwickel, wobei jeweils ein Folienwickel einen Einzelkondensator innerhalb einer Schicht 102, 202 bildet, zylinderförmig ausgebildet. Jeder Folienwickel weist eine zentrale Achse auf, die senkrecht zu den Stromschienen 104, 106, 204, 208 orientiert ist und deren Länge der Höhe H entspricht. Jeder zylinderförmige Folienwickel weist zwei kreisförmige Enden auf, wobei ein erstes Ende bspw. als Pluspol und ein zweites Ende als Minuspol ausgebildet ist. Die ersten Enden sämtlicher Folienwickel sind hier mit der ersten Stromschiene 104, 204 und die zweiten Enden mit der zweiten Stromschiene 106, 208 verbunden. Die Einzelkondensatoren sind innerhalb der Schicht 102, 202 in Form einer Matrix angeordnet.
Die in 2 schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung 2 umfasst hier insgesamt vier Einzelmodule 4a, 4b, 4c, 4d, wobei jedes Einzelmodul 4a, 4b, 4c, 4d jeweils eine Schicht 6a, 6b, 6c, 6d aus mindestens einem Einzelkondensator, hier jeweils eine Schicht 6a, 6b, 6c, 6d aus mehreren hier zylinderförmigen Einzelkondensatoren aufweist, die zwischen einer ersten Stromschiene 8a, 8b, 8c, 8d und einer zweiten Stromschiene 10a, 10b, 10c, 10d angeordnet sind. Die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren, die hier als Folienwickel ausgebildet sind, sind hier parallel angeordnet. Dabei sind die Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d jeweils eines Einzelmoduls 4a, 4b, 4c, 4d bspw. als Leiterbleche dieses Einzelmoduls 4a, 4b, 4c, 4d ausgebildet bzw. zu bezeichnen. Dabei weist jede Schicht 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren zwischen den beiden Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d jeweils eine Höhe h auf, die hier nur im Fall einer ersten Schicht 6a aus Einzelkondensatoren durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, für die h = h_a gilt, wobei die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d sämtlicher Einzelmodule 4a, 4b, 4c, 4d alle dieselbe Höhe h aufweisen. Weiterhin weist jede Schicht 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren eine Breite b auf, wobei hier nur eine Breite b = b_a der dielektrischen Schicht 6a und eine Breite b = b_d einer letzten, hier vierten Schicht 6d durch Doppelpfeile angedeutet sind, wobei die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d hier unterschiedliche Breiten b aufweisen. Mindestens eine hier rechteckige Querschnittsfläche einer jeweiligen Schicht 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren entspricht hier dem Produkt aus der jeweiligen Höhe h und Breite b. Außerdem weist jede Schicht 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren eine Tiefe t auf, wobei hier nur eine Tiefe t = t_a der ersten Schicht 6a und eine Tiefe t = t_d der letzten bzw. vierten Schicht 6d durch Doppelpfeile angedeutet sind, wobei die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d hier alle dieselbe Tiefe t aufweisen. Mindestens eine hier rechteckige Grundfläche einer jeweiligen Schicht 6a, 6b, 6c, 6d entspricht hier dem Produkt aus der jeweiligen Breite b und Tiefe t. Außerdem weist jede Schicht 6a, 6b, 6c, 6d zwei Stirnflächen auf, die senkrecht zu der Querschnittsfläche und der Grundfläche orientiert sind, wobei sich jeweils eine Stirnfläche aus einem Produkt der Höhe h und der Tiefe t der jeweiligen Schicht 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren ergibt.
Jeder zylinderförmige Einzelkondensator weist eine zentrale Achse mit der Höhe h auf, die senkrecht zu den Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d orientiert ist. Jede Schicht 6a, 6b, 6c, 6d weist mehrere zylinderförmige Einzelkondensatoren auf, die hier in einer Matrix nebeneinander angeordnet sind und somit ein Feld bilden. Jeder Einzelkondensator weist zwei kreisförmige Enden als Pole auf, wobei ein erster Pol mit der ersten Stromschiene 8a, 8b, 8c, 8d und ein zweiter Pol mit der zweiten Stromschiene 10a, 10b, 10c, 10d verbunden ist. Weiterhin sind die Einzelkondensatoren einer jeweiligen Schicht 6a, 6b, 6c, 6d je nach Definition in mehreren Reihen parallel zu der Breite b und in mehreren Reihen parallel zu der Tiefe t in der Matrix angeordnet. Somit bildet jede Schicht 6a, 6b, 6c, 6d eine Lage bzw. eine Matrix aus Einzelkondensatoren, deren Achsen zwischen den Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d zueinander parallel orientiert sind, wobei die Einzelkondensatoren einerseits spaltenförmig angeordnete Reihen und andererseits zeilenförmig angeordnete Reihen innerhalb der Matrix bilden.
Im Detail ist die erste Schicht 6a aus Einzelkondensatoren des ersten Einzelmoduls 4a zwischen einer ersten Stromschiene 8a bzw. einer ersten Hauptstromschiene und einer zweiten Stromschiene 10a bzw. einer zweiten Hauptstromschiene angeordnet, die hier durch die Höhe h = h_a der Einzelkondensatoren voneinander beabstandet sind, außerdem ist an der ersten Stromschiene 8a eine erste Zusatzstromschiene 12a und an der zweiten Stromschiene 10a eine zweite Zusatzstromschiene 13a angeordnet, die senkrecht zu den beiden Stromschienen 8a, 10a orientiert ist. Die erste Schicht 6a bzw. Matrix aus Einzelkondensatoren weist die Breite b = b_a und die Tiefe t = t_a auf.
Die zweite Schicht 6b aus Einzelkondensatoren des zweiten Einzelmoduls 4b ist zwischen einer ersten Stromschiene 8b bzw. einer ersten Hauptstromschiene und einer zweiten Stromschiene 10b bzw. einer zweiten Hauptstromschiene angeordnet, die hier durch die Höhe h = h_b der Einzelkondensatoren voneinander beabstandet sind, außerdem ist an der ersten Stromschiene 8b eine erste Zusatzstromschiene 12b und an der zweiten Stromschiene 10b eine zweite Zusatzstromschiene 13b angeordnet, die senkrecht zu den beiden Stromschienen 8b, 10b orientiert ist. Die zweite Schicht 6b bzw. Matrix aus Einzelkondensatoren weist die Breite b = b_b und die Tiefe t = t_b auf.
Die dritte Schicht 6c aus Einzelkondensatoren des dritten Einzelmoduls 4c ist zwischen einer ersten Stromschiene 8c bzw. einer ersten Hauptstromschiene und einer zweiten Stromschiene 10c bzw. einer zweiten Hauptstromschiene angeordnet, die hier durch die Höhe h = h_c der Einzelkondensatoren voneinander beabstandet sind, außerdem ist an der ersten Stromschiene 8c eine erste Zusatzstromschiene 12c und an der zweiten Stromschiene 10c eine zweite Zusatzstromschiene 13c angeordnet, die senkrecht zu den beiden Stromschienen 8c, 10c orientiert ist. Die dritte Schicht 6c bzw. Matrix aus Einzelkondensatoren weist die Breite b = b_c und die Tiefe t = t_c auf.
Die vierte Schicht 6d aus Einzelkondensatoren des vierten Einzelmoduls 4d ist zwischen einer ersten Stromschiene 8d bzw. einer ersten Hauptstromschiene und einer zweiten Stromschiene 10d bzw. einer zweiten Hauptstromschiene angeordnet, die hier durch die Höhe h = h_d der Einzelkondensatoren voneinander beabstandet sind, außerdem ist an der ersten Stromschiene 8d eine erste Zusatzstromschiene 12d und an der zweiten Stromschiene 10d eine zweite Zusatzstromschiene 13d angeordnet, die senkrecht zu den beiden Stromschienen 8d, 10d orientiert ist. Die vierte Schicht 6d bzw. Matrix aus Einzelkondensatoren weist die Breite b = b_d und die Tiefe t = t_d auf.
Bei der hier vorgestellten Ausführungsform gilt: h_a = h_b = h_c = h_d und t_a = t_b = t_c = t_d. Außerdem gilt: b_a < b_b < b_c < b_d, so dass die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d bzw. Matrizen aus Einzelkondensatoren jeweils unterschiedlich große Querschnittsflächen und jeweils unterschiedlich große Grundflächen aufweisen. In einer alternativen Ausgestaltung ist es denkbar, dass alle Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren sämtlicher Einzelmodule 4a, 4b, 4c, 4d dieselbe Höhe h, dieselbe Breite b und dieselbe Tiefe t aufweisen, so dass sie im Rahmen von Fertigungstoleranzen alle dieselbe Querschnittsfläche, dieselbe Grundfläche, dasselbe Volumen und dieselbe Kapazität aufweisen.
Alternativ ist es in einer weiteren Ausführungsform möglich, dass die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren bzw. die Achse der Einzelkondensatoren der Einzelmodule 4a, 4b, 4c, 4d unterschiedliche Höhen h_a, h_b, h_c, h_d aufweisen. In Ausgestaltung kann dabei eine Höhe h_a der ersten obersten Schicht 6a geringer als eine Höhe h_b, h_c, h_d jeweils einer anderen Schicht 6b, 6c, 6d sein, wodurch eine bei einem Schaltvorgang wirkende Induktivität optimiert wird.
Ferner weist jede erste Stromschiene 8a, 8b, 8c, 8d jeweils einen ersten Anschluss 14a, 14b, 14c, 14d und jede zweite Stromschiene 10a, 10b, 10c, 10d jeweils einen zweiten Anschluss 16a, 16b, 16c, 16d auf, über die die parallel angeordneten Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d mit nicht weiter dargestellten Kontakten, bspw. Kontaktelementen, und/oder Leitungen eines Stromkreises verbindbar sind. Die ersten Anschlüsse 14a, 14b, 14c, 14d sind hier parallel zu der Grundfläche bzw. Querschnittsfläche orientiert. Dabei zweigt hier von jedem ersten Anschluss 14a, 14b, 14c, 14d jeweils eine erste Zusatzstromschiene 12a, 12b, 12c, 12d senkrecht ab, wobei die ersten Anschlüsse 14a, 14b, 14c, 14d und die ersten Zusatzstromschienen 12a, 12b, 12c, 12d miteinander verbunden sind. Dabei ist jeder zweite Anschluss 16a, 16b, 16c, 16d über jeweils eine zweite Zusatzstromschiene 13a, 13b, 13c, 13d mit einer jeweiligen zweiten Stromschiene 10a, 10b, 10c, 10d verbunden. Die Zusatzstromschienen 12a, 12b, 12c, 12d, 13a, 13b, 13c, 13d sind hier zueinander parallel und senkrecht zu den Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d angeordnet. Ferner sind die Zusatzstromschienen 12a, 12b, 12c, 12d, 13a, 13b, 13c, 13d auch parallel zu den Achsen der Einzelkondensatoren orientiert.
Sämtliche Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d bzw. Busbars sind hier explizit aus Kupfer. In der Regel sind die Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, gebildet.
Außerdem sind jeweils die erste Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d sowie der jeweils erste Anschluss 14a, 14b, 14c, 14d jeweils eines Einzelmoduls 4a, 4b, 4c, 4d positiv bzw. positiv gepolt und jeweils die zweite Stromschiene 10a, 10b, 10c, 10d sowie der zweite Anschluss 16a, 16b, 16c, 16d des jeweiligen Einzelmoduls 4a, 4b, 4c, 4d negativ bzw. negativ gepolt. Alternativ ist es auch möglich, dass jeweils die erste Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d sowie der jeweils erste Anschluss 14a, 14b, 14c, 14d jeweils eines Einzelmoduls 4a, 4b, 4c, 4d negativ bzw. negativ gepolt und jeweils die zweite Stromschiene 10a, 10b, 10c, 10d sowie der zweite Anschluss 16a, 16b, 16c, 16d des jeweiligen Einzelmoduls 4a, 4b, 4c, 4d positiv bzw. positiv gepolt ist. Folglich sind die beiden Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d sowie die beiden Anschlüsse 14a, 14b, 14c, 14d, 16a, 16b, 16c, 16d jeweils eines Einzelmoduls 4a, 4b, 4c, 4d zueinander entgegengesetzt gepolt.
Die hier flachen Schichten 6a, 6b, 6c, 6d bzw. Matrizen aus Einzelkondensatoren der Kondensatoranordnung 2 sind wie Stockwerke parallel übereinander gestapelt. Somit umfasst die Kondensatoranordnung 2 mehrere geschichtete Lagen bzw. Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren, wobei jede Schicht 6a, 6b, 6c, 6d und somit jedes Einzelmodul 4a, 4b, 4c, 4d ein eigenes Stromschienensystem bzw. Busbarsystem mit jeweils einer ersten und einer zweiten Stromschiene 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d aufweist.
Hier ist explizit vorgesehen, dass die Einzelkondensatoren, die die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d des jeweiligen Einzelkondensators 4a, 4b, 4c, 4d bilden, als zylinderförmig gewickelte Folien bzw. Folienwickel ausgebildet und/oder zu bezeichnen sind. Mindestens ein als Pol ausgebildetes kreisförmiges Ende bzw. eine Stirnseite bzw. eine Stirnfläche jeweils eines Folienwickels kann metallisch beschichtet sein, wobei die mindestens eine Stirnfläche durch Flammspritzen (Schooping) beschichtet ist. Als Beschichtung ist bspw. Zink oder eine Zink-Zinn-Mischung auf der mindestens einen Stirnfläche aufgebracht.
Alternativ ist es möglich, dass die Einzelkondensatoren als Keramikkondensatoren ausgebildet sind, wobei jeder Einzelkondensator einen Keramikkörper aufweist. Unabhängig von einer konkreten Ausgestaltung der Einzelkondensatoren als Folienwickel oder als Keramikkondensatoren sind diese zylinderförmig ausgebildet und innerhalb einer Matrix angeordnet.
Weiterhin ist es möglich, dass die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d unterschiedliche Einzelkondensatoren aufweisen, wobei mindestens eine Schicht 6a, 6b, 6c, 6d mindestens eines ersten Einzelmoduls 4a, 4b, 4c, 4d Folienwickel als Einzelkondensatoren aufweist und mindestens eine Schicht 6a, 6b, 6c, 6d mindestens eines zweiten Einzelmoduls 4a, 4b, 4c, 4d Keramikkondensatoren als Einzelkondensatoren aufweist. Dabei kann bspw. die Schicht 6a des ersten obersten Einzelmoduls 4a Keramikkondensatoren und die Schichten 6b, 6c, 6d der weiteren Einzelmodule 4b, 4c, 4d Folienwickel als Einzelkondensatoren aufweisen.
Die Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d der gestapelten Einzelmodule 4a, 4b, 4c, 4d bzw. der einzelnen Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren sind hier planar bzw. eben bzw. flach geführt. Höhen h bzw. h_a, h_b, h_c, h_d der Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren bzw. der Achsen der Einzelkondensatoren sind so gering wie möglich gehalten, um die parasitäre Induktivität der Kondensatoranordnung 2 zu reduzieren.
Mindestens eine positive Stromschiene der Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, die ein Hochvolt-Plus führt, ist in Ausgestaltung gegen mindestens eine benachbarte negative Stromschiene der Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, die ein Hochvolt-Minus trägt, elektrisch isoliert. Alternativ oder ergänzend ist mindestens eine Stromschiene der Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, die ein Hochvolt-Plus trägt, gegen mindestens eine benachbarte Stromschiene der Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, die ein Hochvolt-Plus trägt, nicht isoliert bzw. leitend verbunden. Bringt eine Isolation zwischen diesen Stromschienen jedoch hinsichtlich einer Stromführung einen Vorteil, werden diese jedoch auch voneinander isoliert. Selbiges gilt für mindestens eine Stromschiene der Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, die ein Hochvolt-Minus trägt, und mindestens eine benachbarte Stromschiene der Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, die ebenfalls ein Hochvolt-Minus trägt.
In Ausgestaltung weisen unmittelbar benachbarte Stromschienen, hier bspw. die Stromschienen 10a, 8b; 10b, 8c; 10c, 8d von unmittelbar benachbarten Einzelmodulen 4a, 4b; 4b, 4c; 4c, 4d dieselbe Polarität auf und sind demnach gleichartig gepolt, wobei beide unmittelbar benachbarten Stromschienen 10a, 8b; 10b, 8c; 10c, 8d jeweils als Minuspole oder als Pluspole ausgebildet sind. Somit können die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren so gestapelt werden, dass die zweite untere Stromschiene 10a, 10b, 10c eines oberen Einzelmoduls 4a, 4b, 4c und die erste obere Stromschiene 8b, 8c, 8d des unmittelbar darunter liegenden Einzelmoduls 4b, 4c, 4d die gleiche Polarität, z. B. beide Minus oder beide Plus, führen. Dies eröffnet hinsichtlich einer Führung und einer Isolation der Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d Freiheiten. Allerdings ist auch eine Ausführung möglich, in der die beiden unmittelbar benachbarten Stromschienen 10a, 8b; 10b, 8c; 10c, 8d unterschiedliche Potentiale führen, z. B. Plus und Minus, und somit entgegengesetzt gepolt sind. Zwischen unmittelbar benachbarten Stromschienen 10a, 8b; 10b, 8c; 10c, 8d, die voneinander elektrisch isoliert sind, ist ein Isoliermaterial, bspw. eine Isolationsfolie angeordnet, die bspw. aus PTFE gebildet ist.
Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d gleicher Polarität können an einer Stelle zwischen Anschlüssen 14a, 14b, 14c, 14d, 16a, 16b, 16c, 16d der beiden Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d miteinander verbunden sein, wobei jeweils zwei benachbarte und miteinander verbundene Anschlüsse 14a, 14b, 14c, 14d, 16a, 16b, 16c, 16d mit einem Kontakt eines nicht weiter dargestellten Halbleitermoduls verbunden werden. Alternativ können die Stromschienen 8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d mit gleicher Polarität bereits zwischen zwei Einzelmodulen 4a, 4b, 4c, 4d bzw. Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren miteinander verbunden werden.
Die Kondensatoranordnung 2 ist für eine automobile Anwendung und somit ein Fahrzeug vorgesehen und weiterhin für einen Pulswechselrichter (PWR) als Halbleitermodul ausgebildet, wobei der Pulswechselrichter und die Kondensatoranordnung 2 in einem Gerät angeordnet sein können. Außerdem ist es möglich, dass zumindest die übereinander angeordneten Einzelmodule 4a, 4b, 4c, 4d der Kondensatoranordnung 2 in einem Gehäuse, bspw. aus Kunststoff, angeordnet sind. Dabei können die Anschlüsse 14a, 14b, 14c, 14d, 16a, 16b, 16c, 16d an einer Außenwand des Gehäuses angeordnet und von außen zugänglich sein.
In Ausgestaltung entspricht eine Summe der Höhen h_a, h_b, h_c, h_d der Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren bzw. der Achsen der zylinderförmigen Einzelkondensatoren der Kondensatoranordnung 2 der Höhe H des Blockkondensators 200. Je nach Abmessung der Breiten b_a, b_b, b_c, b_d ist es möglich, dass die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d aus Einzelkondensatoren der Kondensatoranordnung 2 in Summe annähernd dasselbe Volumen oder dasselbe Volumen (falls B = b_a + b_b + b_c + b_d) wie die Schicht 202 des Blockkondensators 200 aufweisen. Entsprechend weist die Kondensatoranordnung 2 annähernd dieselbe Kapazität oder dieselbe Kapazität wie der Blockkondensator 200 auf.
Allerdings weist die Kondensatoranordnung 2 eine geringere parasitäre Induktivität und daraus resultierend beim Schalten eine geringe Überspannung als der Blockkondensator 200 auf. Somit ist bei einem Betrieb der Kondensatoranordnung 2 eine gute Ausnutzung des damit verbundenen Halbleitermoduls möglich, da eine maximale Betriebsspannung für einen jeweils betreffenden Halbleitertyp hochgesetzt werden kann. Infolge geringerer Überspannungen ergeben sich weniger EMV-Probleme. Außerdem ergeben sich infolge der besseren Ausnutzung des Halbleitermoduls bzw. des besseren EMV-Verhaltens Kosten- und Bauraumvorteile. Somit kann auch ein EMV-Filter verkleinert werden.
Die in 3 teilweise dargestellte zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung 30 für ein Fahrzeug weist mehrere Einzelmodule auf, wobei jeweils ein Einzelmodul eine erste und eine zweite Stromschiene 32, 34 aus Kupfer aufweist, zwischen denen mindestens ein Einzelkondensator, hier mehrere Einzelkondensatoren, des jeweiligen Einzelmoduls in einer Matrix angeordnet ist bzw. sind, wobei sämtliche Einzelmodule übereinander parallel gestapelt angeordnet sind. Dabei zeigt 3 eine erste obere Stromschiene 32 eines ersten Einzelmoduls und eine zweite untere Stromschiene 34 eines zweiten Einzelmoduls unter dem ersten Einzelmodul, wobei die beiden Einzelmodule unmittelbar benachbart angeordnet sind. Dabei sind hier beide Stromschienen 32, 34 gleich, explizit positiv gepolt, alternativ können die beiden Stromschienen 32, 34 jeweils negativ gepolt sein. Außerdem weist das erste Einzelmodul eine zweite untere Stromschiene und das zweite Einzelmodul eine erste obere Stromschiene auf, die in 3 nicht dargestellt, aber zwischen den beiden hier gezeigten Stromschienen 32, 34 unmittelbar benachbart angeordnet und gleich gepolt sind. Außerdem sind an beiden Stromschienen 32, 34 Anschlüsse 36, 38 angeordnet. Somit können, wie bei der ersten Ausführungsform der Kondensatoranordnung 2, unmittelbar benachbarte Stromschienen 32, 34 von unmittelbar benachbarten Einzelmodulen gleichartig gepolt sein. Alternativ können unmittelbar benachbarte Stromschienen von unmittelbar benachbarten Einzelmodule entgegengesetzt gepolt sein, wobei derartige gegenpolige Stromschienen gegeneinander isoliert sind.
Bezugszeichenliste

2: Kondensatoranordnung
4a, 4b, 4c, 4d: Einzelmodul
6a, 6b, 6c, 6d: Schicht
8a, 8b, 8c, 8d: Stromschiene
10a, 10b, 10c, 10d: Stromschiene
12a, 12b, 12c, 12d: Zusatzstromschiene
13a, 13b, 13c, 13d: Zusatzstromschiene
14a, 14b, 14c, 14d: Anschluss
16a, 16b, 16c, 16d: Anschluss
30: Kondensatoranordnung
32, 34: Stromschiene
36, 38: Anschluss
100: Blockkondensator
102: Schicht
104, 106: Stromschienen
108: Kontakt
110: Isolationsfolie
112: Leitung
114: Zinkschicht
116: Ummantelung
200: Blockkondensator
202: Schicht
204: Stromschiene
206: Anschluss
208: Stromschiene
210: Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008050452 A1 [0003]
DE 102012222704 A1 [0004]
EP 1868217 A1 [0005]

Claims

Kondensatoranordnung für ein Fahrzeug, die mehrere Einzelmodule (4a, 4b, 4c, 4d) aufweist, wobei jeweils ein Einzelmodul (4a, 4b, 4c, 4d) eine erste und eine zweite Stromschiene (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, 32, 34) aufweist, zwischen denen mindestens ein Einzelkondensator angeordnet ist, wobei sämtliche Einzelmodule (4a, 4b, 4c, 4d) räumlich übereinander gestapelt angeordnet sind.
Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine Einzelkondensator als Folienwickel und/oder Keramikkondensator ausgebildet ist.
Kondensatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem gleichartig gepolte Stromschienen (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, 32, 34) von mindestens zwei unmittelbar benachbarten Einzelmodulen (4a, 4b, 4c, 4d) miteinander verbunden sind.
Kondensatoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem gleichartig gepolte Stromschienen (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, 32, 34) von mindestens zwei unmittelbar benachbarten Einzelmodulen (4a, 4b, 4c, 4d) voneinander elektrisch isoliert sind.
Kondensatoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der gleichartig gepolte Stromschienen (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, 32, 34) von zwei unmittelbar benachbarten Einzelmodulen (4a, 4b, 4c, 4d) nebeneinander angeordnet sind, oder bei der entgegengesetzt gepolte Stromschienen (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, 32, 34) von zwei unmittelbar benachbarten Einzelmodulen (4a, 4b, 4c, 4d) nebeneinander angeordnet sind.
Kondensatoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Einzelmodule (4a, 4b, 4c, 4d) elektrisch parallel geschaltet sind.
Kondensatoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Stromschienen (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d, 32, 34) jeweils eines Einzelmoduls (4a, 4b, 4c, 4d) aus Kupfer gebildet sind.
Kondensatoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die für einen Pulswechselrichter vorgesehen, bspw. in den Pulswechselrichter integrierbar bzw. zu integrieren ist, und/oder mit mindestens einem Kontaktelement des Pulswechselrichters zu verbinden bzw. verbindbar ist.
Kondensatoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die bspw. zur Filterung und Entkopplung eines Stromkreises des Fahrzeugs ausgebildet, bspw. in den Stromkreis des Fahrzeugs integrierbar bzw. zu integrieren ist.