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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine hochintegrierte Kondensatoranordnung und ein Kraftfahrzeug.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Ein elektrischer Antrieb (z.B. ein Elektroantrieb) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug umfasst unter anderem eine elektrische Maschine (bzw. ein Elektromotor) und einen Stromrichter, der unter anderem eine Kondensatoranordnung (Zwischenkreiskondensator) und ein Leistungsmodul aufweist. Die Kondensatoranordnung umfasst gewöhnlich mehrere Einzelkondensatoren. In den entsprechenden elektrischen Bauteilen entsteht durch den Betrieb erhebliche Wärme. Bekannt ist es, die Einzelkondensatoren in einem gemeinsamen Kunststoffgehäuse zu vergießen, wodurch eine große Anzahl einzelner Wärmeübergänge vorliegt. Deshalb stellt sich die Ableitung der Wärme basierend auf den bestehenden Konzepten problematisch dar.
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Ein anderer Aspekt betrifft die von dem Leistungsmodul umfassten Schaltelemente mittels denen eine Frequenz und/oder ein Spannungspegel variiert wird. Dabei werden hochfrequente Signalanteile generiert, die sich nachteilig auf die Funktionalität der zugrundeliegenden elektrischen Schaltung und damit die Effizienz der elektrischen Maschine auswirken. Zur Rückleitung der hochfrequenten Signalanteile zur Quelle werden Entstörkondensatoren (Y-Kondensatoren) verwendet, die als diskrete Bauteile in den Schaltungen integriert sind. Dadurch ist jedoch lediglich eine punktförmige Anbindung zur Rückführung der Störsignale möglich. Zudem werden die Aspekte der Wärmeableitung und der Rückleitung von hochfrequenten Störungen getrennt behandelt, so dass einerseits die elektromagnetische Verträglichkeit und andererseits die Systemintegration nur unzureichend sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile von bekannten Kondensatoranordnungen auszuräumen oder zumindest zu verringern. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
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Es wird unter anderem eine hochintegrierte Kondensatoranordnung (im Folgenden: Kondensatoranordnung) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug bereitgestellt. Das Fahrzeug kann eine elektrische Maschine (z.B. einen Elektromotor) und einen Stromrichter aufweisen, der unter anderem ein Leistungsmodul und die hochintegrierte Kondensatoranordnung umfasst. Die Kondensatoranordnung ist mit der elektrischen Maschine und dem Leistungsmodul koppelbar. Die Kopplung kann mechanisch und/oder elektrisch sein. Die Kondensatoranordnung kann eine Mehrzahl von Einzelkondensatoren umfassen. Die Einzelkondensatoren können in einem gemeinsamen Gehäuse (im Folgenden: Gehäuse) angeordnet sein. Das Gehäuse kann zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen. Die Einzelkondensatoren können zumindest teilweise von einer Vergussmasse umgeben sein. Das Gehäuse kann mit einer elektrischen Masse (Nullleiter, Neutralleiter, Erdpotential, Bezugspotential) koppelbar sein. Die Kondensatoranordnung kann derart angeordnet und eingerichtet sein, dass ein niederimpedanter Pfad basierend auf einem verteilten Entstörkondensator derart bereitgestellt wird, dass hochfrequente Störungen zur elektrischen Masse (im Folgenden: Masse) abgeleitet bzw. zum Leistungsmodul zurückgeführt werden. Ein Dielektrikum des verteilten Entstörkondensators (im Folgenden: Entstörkondensator) kann im Wesentlichen durch die Vergussmasse gebildet sein.
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Im Folgenden ist unter einem Entstörkondensator ein Y-Kondensator zu verstehen, soweit nicht anders explizit angegeben.
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Der niederimpedante Pfad zur Ableitung der hochfrequenten Störungen kann elektrisch besonders gut leitend für hochfrequente Störungen sein. Der niederimpedante Pfad kann auch mechanisch besonders günstig integriert sein, insbesondere besonders kurz sein. Der Pfad kann insbesondere so kurz wie möglich und so niederimpedant wie möglich zur Ableitung der hochfrequenten Störungen zur elektrischen Masse bzw. zur Rückführung zur Quelle, dem Leistungsmodul, sein. In anderen Worten können hochfrequente Störungen, nachdem sie an der Quelle, dem Leistungsmodul, erzeugt wurden, durch die hohe elektrische und mechanische Integration besonders schnell und effizient mit einer besonders hohen Wirksamkeit zur elektrischen Masse abgeleitet bzw. zur Quelle zurückgeführt werden. Dadurch werden nur wenige Bauteile der zugrundeliegenden Schaltung von den hochfrequenten Störungen überhaupt beeinflusst bzw. von diesen erfasst.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist unter einem verteilten Entstörkondensator ein Entstörkondensator zu verstehen, der eine Vielzahl an Kopplungspunkten zwischen den zugrundeliegenden Potentialen bereitstellt und in nicht-diskreter Weise realisiert ist. In anderen Worten ist ein verteilter Entstörkondensator nicht als separates eigenständiges Bauteil und auch nicht als Gruppe von diskreten Bauteilen integriert. Vielmehr umfasst der vom verteilten Entstörkondensator bereitgestellte niederimpedante Pfad eine Vielzahl an möglichen vom verteilten Entstörkondensator bereitgestellten einzelnen Pfaden zur Ableitung der hochfrequenten Störungen, wodurch die Störungen insgesamt besonders effizient ableitbar bzw. zur Quelle rückführbar sind. Da der verteilte Entstörkondensator in nicht-diskreter Form realisiert ist, kann somit die Implementierung separater diskreter Entstörkondensatoren eingespart werden, wodurch die Produktionseffizienz verbessert wird.
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Die Kondensatoranordnung kann ein Zwischenkreiskondensator für einen elektrischen Antrieb bzw. für die elektrische Maschine sein. Der Zwischenkreiskondensator kann Teil eines Stromrichters sein, der zudem das Leistungsmodul und gegebenenfalls weitere Komponenten umfassen kann. Eine andere Bezeichnung für den Stromrichter ist eine Leistungselektronik.
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Das Gehäuse der Kondensatoranordnung ist mit der elektrischen Maschine mechanisch und/oder elektrisch gekoppelt. Diese Kopplung umfasst vorteilhafterweise eine Kopplung über ein Maschinengehäuse der elektrischen Maschine. Das Gehäuse der Kondensatoranordnung ist vorteilhafterweise direkt unmittelbar mit dem Maschinengehäuse der elektrischen Maschine gekoppelt, so dass der Pfad zur Ableitung bzw. zur Rückführung der hochfrequenten Störungen so kurz wie möglich ist. Die elektrische Maschine bzw. das Maschinengehäuse ist mit Masse gekoppelt. Das Maschinengehäuse ist elektrisch leitfähig. Durch die mittels des verteilten Entstörkondensators realisierte elektrische Kopplung der Kondensatoranordnung mit der elektrischen Maschine schließt sich der Pfad zur Rückleitung von hochfrequenten Störungen zur Quelle. Da die mechanische Kopplung so kurz wie möglich ist und da das Gehäuse der Kondensatoranordnung elektrisch leitfähig ist, ist dann der Pfad so niederimpedant wie möglich. Also ist dann ein Ableiten der Störungen zur elektrischen Maschine bzw. deren Maschinengehäuse und damit zur Masse besonders einfach und effizient mit einer besonders hohen Wirksamkeit realisiert.
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Die Einzelkondensatoren können mit dem Leistungsmodul gekoppelt sein, das insbesondere eine B6-Brücke umfassen kann und Teil eines Stromrichters sein kann. Der Stromrichter kann zudem die Kondensatoranordnung umfassen. Dafür kann das Gehäuse Anschlüsse umfassen. Die Anschlüsse können gegenüber dem Gehäuse der Kondensatoranordnung isoliert sein. Das Leistungsmodul kann elektronische Schaltelemente (Transistoren) umfassen, die eine Frequenz und/oder einen Spannungspegel variieren. Die Einzelkondensatoren können auch mit einer Batterie bzw. einem Hochvoltspeicher als Energiequelle gekoppelt sein. Die Zuleitungen zu den bzw. von den Einzelkondensatoren können in einem Busbar integriert sein. Der Busbar kann innerhalb des Gehäuses der Kondensatoranordnung angeordnet sein. Der verteilte Entstörkondensator kann dann eine Vielzahl an Kopplungspunkten und Pfaden zum Ableiten bzw. zum Rückführen hochfrequenter Störungen zwischen einerseits den Einzelkondensatoren und/oder ihren Zuleitungen und/oder dem Busbar und andererseits dem Gehäuse bereitstellen. Die so ausgebildete Kondensatoranordnung stellt durch die hohe elektrische und mechanische Integration eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit bereit, da die hochfrequenten Störungen nach ihrem Auftreten (am Leistungsmodul) schnellstmöglich abgeleitet werden. Zudem stellt die Kondensatoranordnung auch eine verbesserte Systemintegration bereit, da für die Ableitung der hochfrequenten Störungen eine Vielzahl an Kopplungspunkten bzw. niederimpedanter Pfade bereitgestellt wird. Zudem ist es nicht nötig, diskret ausgebildete Entstörkondensatoren innerhalb der Schaltung vorzusehen.
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Die Vergussmasse kann eine flächige Kontaktierung der Einzelkondensatoren und des Gehäuses zur Ableitung hochfrequenter Störungen gewährleisten. Die Einzelkondensatoren können mit der Vergussmasse vergossen sein, so dass sie darin eingebettet sind und die Außenoberfläche eines Einzelkondensators in direktem unmittelbaren Kontakt mit der Vergussmasse ist. Die Vergussmasse kann auch zumindest mit einem zweidimensionalen Teil der Innenwand des Gehäuses in direktem unmittelbaren Kontakt stehen. Dann kann eine flächige Kontaktierung sowohl der Einzelkondensatoren als auch des Gehäuses der Kondensatoranordnung durch die Vergussmasse bereitgestellt werden. Die Vergussmasse kann fest oder flüssig sein. Die Rückführung der Störungen wird durch die flächige Kontaktierung anhand der Vergussmasse zusätzlich verbessert. Die flächige Kontaktierung bewirkt eine weitere Reduzierung der Impedanz des Pfads zur Rückführung der hochfrequenten Störungen. Die flächige Kontaktierung kann die dreidimensionale Ausgestaltung des verteilten Entstörkondensators wiederspiegeln, so dass die elektromagnetische Verträglichkeit vorteilhaft weiter erhöht wird.
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Die Vergussmasse kann auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, so dass Wärme von den Einzelkondensatoren zum Gehäuse ableitbar ist. Die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse kann einen Wert zwischen 0,13 W/m·K und 400 W/m·K haben, insbesondere einen Wert zwischen 0,2 W/m·K und 250 W/m·K, weiter insbesondere einen Wert zwischen 0,5 W/m·K und 50 W/m·K, weiter insbesondere einen Wert zwischen 4 W/m·K und 13 W/m·K. Das Gehäuse kann ebenfalls ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Das Gehäuse kann also eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig auch eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Das Gehäuse kann insbesondere zumindest teilweise ein Metall umfassen, insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Das Gehäuse kann auch derart angeordnet und eingerichtet sein, dass Wärme von dem Gehäuse ableitbar ist und/oder dass das Gehäuse durch einen aktiven und/oder passiven Kühlmechanismus kühlbar ist. Dann kann die Vergussmasse Wärme, die in den Einzelkondensatoren vorliegt bzw. generiert wird, besonders effizient an das Gehäuse ableiten. Da die Vergussmasse und das Gehäuse jeweils hohe Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, wird die Anzahl der Wärmeübergänge reduziert und die Ableitung der Wärme vorteilhaft verbessert. Somit kann durch die hohe mechanische Integration anhand der Vergussmasse ebenfalls eine besonders effiziente thermische Integration gewährleistet werden.
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Die Vergussmasse kann auch eingerichtet sein, um die Positionierung der Einzelkondensatoren innerhalb des Gehäuses zu gewährleisten.
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Die Vergussmasse kann also einerseits ein Dielektrikum des verteilten Entstörkondensators derart bilden, dass hochfrequente Störungen besonders effizient und auf dem kürzest möglichen und niederimpedantesten Pfad ableitbar bzw. rückführbar sind und eine hohe elektrische Integration bzw. elektromagnetische Verträglichkeit realisiert ist. Andererseits weist die Vergussmasse auch gute Wärmeleiteigenschaften auf, so dass durch die hohe mechanische Integration die Wärme von den Einzelkondensatoren besonders effizient abgeleitet werden kann. Im Wesentlichen sind durch die Art der Implementierung des Entstörkondensators und der Wärmeableitung mittels der Vergussmasse eine hohe elektrische Integration, eine hohe mechanische Integration und eine hohe thermische Integration gleichzeitig erzielbar.
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Das Gehäuse kann zumindest eine Kühllanze umfassen. Die Kühllanze kann eine Längserstreckungsachse aufweisen, die im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckungsachse von zumindest einem Einzelkondensator angeordnet sein kann. Die Anordnung kann derart sein, dass der zumindest eine Einzelkondensator einen entlang seiner Längserstreckungsachse im Wesentlichen konstanten mittleren Abstand von der zumindest einen Kühllanze aufweist. Unter dem mittleren Abstand ist ein über die Längserstreckungsachse eines Einzelkondensators gemittelter Abstand zwischen einer Außenoberfläche des Einzelkondensators und einer dem Einzelkondensator zugewandten Außenoberfläche der Kühllanze zu verstehen. Alternativ kann der Abstand zwischen den Längserstreckungsachsen des Einzelkondensators und der Kühllanze konstant sein. Ein Abstand der Kühllanze zum entsprechenden Einzelkondensator kann kleiner als ein Durchmesser bzw. eine Tiefe und Breite des Einzelkondensators sein. Der Durchmesser bzw. die Tiefe und Breite können die Abmessungen des Einzelkondensators senkrecht zu seiner Längserstreckungsachse sein. In anderen Worten ist die Kühllanze parallel zu zumindest einem Einzelkondensator mit nur einem kleinen dazwischenliegenden Abstand angeordnet. Die Vergussmasse kann derart eingerichtet und angeordnet sein, dass sie einen Wärmeleitpfad zwischen dem zumindest einen Einzelkondensator und der zumindest einen Kühllanze bereitstellt. Durch die Kühllanze kann die Oberfläche des Gehäuses vorteilhaft vergrößert werden, so dass die Kühlleistung erhöht ist. Zudem ist durch die parallele Anordnung der Kühllanze zu dem Einzelkondensator eine Kühlung des Einzelkondensators auf seiner gesamten Länge und nicht nur an jeweiligen Stirnseiten möglich, so dass die thermische Integration vorteilhaft weiter verbessert wird.
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Eine Kapazität des Entstörkondensators kann basierend auf dem mittleren Abstand zwischen den Einzelkondensatoren und dem Gehäuse und/oder einer Innenoberfläche des Gehäuses und/oder der Vergussmasse bzw. deren Material einstellbar sein. Die Kapazität des Entstörkondensators hängt von den effektiven einander zugewandten Oberflächen der die jeweiligen Potentiale umfassenden Elektroden ab. Das sind einerseits die Einzelkondensatoren und/oder ihre Zuleitungen und/oder der Busbar und andererseits die Innenoberfläche des Gehäuses. Die Innenoberfläche des Gehäuses kann durch die Kühllanze vergrößert werden, so dass dadurch die Kapazität des Entstörkondensators einstellbar ist. Einfluss auf die Kapazität des Entstörkondensators hat auch der effektive Abstand der jeweiligen Elektroden. Dieser ist durch die Anordnung und Abmessungen der Kühllanze relativ zum Einzelkondensator ebenfalls variierbar, so dass ein weiterer Freiheitsgrad zur Bestimmung der Kapazität des Entstörkondensators bereitgestellt wird. Zudem hängt die Kapazität des Entstörkondensators von den dielektrischen Eigenschaften des Materials ab, das den Raum zwischen den Elektroden ausfüllt. Dies ist vorliegend die Vergussmasse, so dass die Materialwahl der Vergussmasse einen dritten Freiheitsgrad zum Einstellen der Kapazität des Entstörkondensators bereitstellt.
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Der Entstörkondensator kann im Wesentlichen elektrisch leitfähig für Signalanteile mit einer Frequenz zwischen 0,15 MHz und 1000 MHz sein, insbesondere auch für Signalanteile mit einer Frequenz zwischen 1 MHz und 500 MHz, weiter insbesondere für Signalanteile mit einer Frequenz zwischen 5 MHz und 300 MHz sein, weiter insbesondere für Signalanteile mit einer Frequenz zwischen 10 MHz und 60 MHz. Der Entstörkondensator kann so eingerichtet werden, dass zulässige Grenzwerte nach CISPR 12:2007 + A1:2009 bzw. DIN EN 55012:2007 + A1:2009, sowie CISPR 25:2016 + COR1:2017 bzw. EN 55025:2017 + AC:2017 eingehalten werden. Der zumindest eine Entstörkondensator kann eine Kapazität zwischen 1 nF und 1000 nF aufweisen, insbesondere zwischen 10 nF und 500 nF, weiter insbesondere zwischen 50 nF und 200 nF. Dadurch kann die elektrische Integration und damit die elektromagnetische Verträglichkeit vorteilhaft weiter verbessert werden.
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Das Gehäuse kann auch eine Mehrzahl an Kühllanzen umfassen. Die Mehrzahl an Einzelkondensatoren und die Mehrzahl an Kühllanzen können eine zumindest in einem Teilbereich des durch das Gehäuse definierten Innenvolumens korrespondierende Anordnung aufweisen. Dann können mittlere Abstände zwischen den Einzelkondensatoren und den zu den jeweiligen Einzelkondensatoren korrespondierenden Kühllanzen im Wesentlichen gleich sein. Durch die Mehrzahl an Kühllanzen kann jeder Einzelkondensator in einer im Wesentlichen gleichen Weise von Gehäusematerial umgeben sein. Somit wird eine homogenere Verteilung des Vergussmaterials und damit des Entstörkondensators gewährleistet. Wie bereits erwähnt kann dadurch auch die Kapazität des Entstörkondensators vorteilhaft angepasst werden, so dass die elektromagnetische Verträglichkeit vorteilhaft weiter verbessert wird. Durch die Mehrzahl an Kühllanzen wird die Innenoberfläche des Gehäuses weiter vergrößert, so dass auch die vom Gehäuse bereitgestellte Kühlleistung vergrößert wird und gleichzeitig sämtliche Einzelkondensatoren homogener kühlbar sind bzw. die Wärmeableitung zum Gehäuse verbessert werden kann.
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Der Entstörkondensator kann als einzelner Entstörkondensator angesehen werden oder in einer alternativen Betrachtungsweise als eine Mehrzahl von Entstörkondensatoren, die jeweils einem einzelnen Einzelkondensator zugeordnet sind. In beiden Betrachtungsweisen ist der Entstörkondensator aber nicht-diskret realisiert.
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Ein alternativer oder zusätzlicher Entstörkondensator kann als diskretes Bauteil vorgesehen sein, beispielsweise um die Ableitung von hochfrequenten Störungen eines bestimmten Frequenzbereichs zu gewährleisten. Dadurch kann die elektromagnetische Verträglichkeit weiter verbessert werden.
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Das Gehäuse der Kondensatoranordnung kann zumindest einen Kühlkanal für den Durchlauf eines Kühlmittels und/oder Kühlrippen umfassen. Durch das Vergussmaterial wird die Wärme zum Gehäuse abgeführt. Durch den Kühlkanal und/oder die Kühlrippen wird dann die Kühlleistung des Gehäuses vorteilhaft verbessert. Das Kühlmittel kann auch nutzbar sein, um das Leistungsmodul und/oder die elektrische Maschine zumindest teilweise zu kühlen. Dazu kann der vom Gehäuse umfasste Kühlkanal mit Kühlkanälen des Leistungsmoduls und/oder der elektrischen Maschine in fluidischer Verbindung sein. Das Gehäuse kann auch indirekt über das Maschinengehäuse der elektrischen Maschine kühlbar sein.
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In der Umgebung des Gehäuses der Kondensatoranordnung können elektronische Komponenten angeordnet sein, z.B. auf einer Steuerplatine, die generell durch hochfrequente Störsignale beeinflussbar sind. Zumindest ein Teil des Gehäuses der Kondensatoranordnung, der diesen elektronischen Komponenten zugewandt ist, kann einen magnetischen Fluss führenden Abschnitt umfassen. Es kann auch das gesamte Gehäuse eingerichtet sein, um einen magnetischen Fluss zu führen. Das Gehäuse kann auch geschlossen sein. Dieser Teil des Gehäuses kann Stahl, Stahlblech und/oder µ-Metall umfassen. Dadurch wird durch das Gehäuse selbst eine vorteilhafte magnetische Schirmung der außerhalb des Gehäuses angeordneten Komponenten gegenüber den gegebenenfalls hochfrequente Störungen aufweisenden innerhalb des Gehäuses angeordneten Komponenten, insbesondere den Einzelkondensatoren, deren Zuleitungen und der Busbar, gewährleistet. Die in der Umgebung des Gehäuses der Kondensatoranordnung angeordneten elektronischen Komponenten können also durch den magnetischen Fluss führenden Abschnitt des Gehäuses geschützt werden.
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Die Einzelkondensatoren können Folienkondensatoren (sogenannte Wickel) sein. Folienkondensatoren sind effizient herstellbar und weisen eine hohe Durchschlagfestigkeit auf. Die Einzelkondensatoren können eine PolypropylenFolie umfassen, die zumindest auf einer Oberfläche eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen kann. Die Einzelkondensatoren können in dem gemeinsamen Gehäuse nackt angeordnet sein. Das bedeutet, dass die Einzelkondensatoren in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können, ohne jeweils ein individuelles Einzelkondensatorgehäuse aufzuweisen. Die Einzelkondensatoren können auch andere Kondensatorkonzepte wie Plattenkondensatoren, Keramikkondensatoren, Metallpapierkondensatoren, Elektrolytkondensatoren, Superkondensatoren, Doppelschichtkondensatoren und Hybridkondensatoren umfassen. Die Einzelkondensatoren können zusammenwirken und eine Gesamtkapazität darstellen. Die Einzelkondensatoren können parallel und/oder seriell verschaltet sein.
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Da die Einzelkondensatoren kein eigenes Einzelkondensatorgehäuse aufweisen, kann einerseits die Realisierung des Entstörkondensators vorteilhaft vereinfacht werden. Zudem kann dadurch die Anzahl der Wärmeübergänge reduziert werden, so dass die thermische Kontaktierung vorteilhaft verbessert werden kann. Die leitfähige Beschichtung der Einzelkondensatoren kann mittels Zuleitungen (DC+/DC-) kontaktiert sein. Die Vergussmasse kann dann einen niederimpedanten Pfad für die Ableitung bzw. Rückführung hochfrequenter Signalanteile von DC+ zum Gehäuse und damit zur Masse und/oder von DC- zum Gehäuse und damit zur Masse bereitstellen. Die Kondensatoranordnung kann auch einen oder mehrere X-Kondensatoren zwischen DC+ und DC- umfassen.
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Es wird auch ein elektrisch antreibbares Fahrzeug bereitgestellt, das eine hochintegrierte Kondensatoranordnung wie zuvor beschrieben umfasst. Im Sinne der vorliegenden Erfindung können elektrisch antreibbare Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCHV) umfasst sein.
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Figurenliste
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- - 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Kondensatoranordnung,
- - 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ersatzschaltbilds der Kondensatoranordnung,
- - 3 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Stromrichters im Verbund mit einer elektrischen Maschine.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Kondensatoranordnung 100. Die Kondensatoranordnung 100 umfasst ein Gehäuse 110. Das Gehäuse 110 umfasst ein Material, das elektrisch und thermisch leitfähig ist. Insbesondere weist das Material des Gehäuses hohe elektrische und thermische Leitfähigkeiten auf, wie für ein Metall typisch, auf. Vorliegend ist das Gehäuse 110 aus Aluminium gefertigt. Das Gehäuse 110 liegt auf Masse 220 bzw. ist mit einer elektrischen Masse 220 direkt oder indirekt gekoppelt. Das Gehäuse 110 umfasst einen Busbar 120 (nicht gezeigt). Der Busbar 120 umfasst mehrere Anschlüsse 122, 124. An den Anschlüssen 122, 124 liegen Gleichspannungssignale DC+ und DC- an. Die Anschlüsse 122, 124 sind gegenüber dem Gehäuse 110 elektrisch isoliert. Der Busbar 120 kann auch weitere elektronische Komponenten umfassen. Die Kondensatoranordnung 100 umfasst zudem mehrere Einzelkondensatoren 130x (nicht gezeigt).
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Das Gehäuse 110 dient unter anderem zur Kühlung der enthaltenen Komponenten. Das Gehäuse 110 umfasst mehrere Kühllanzen 112, die sich ausgehend von einer Wand des Gehäuses 110 in Richtung einer gegenüberliegenden Wand erstrecken. Die Einzelkondensatoren 130x sind innerhalb des Gehäuses 110 zwischen den Kühllanzen 112 angeordnet. Die Einzelkondensatoren 130x sind derart angeordnet, dass jeder Einzelkondensator 130x jeweils von vier Kühllanzen 112 umgeben ist. Es können aber auch mehr oder weniger Kühllanzen 112 angrenzend zu einem Einzelkondensator 130x angeordnet sein. Dabei ist eine Längserstreckungsachse einer Kühllanze 112 parallel zur Längserstreckungsachse eines Einzelkondensators 130x ausgerichtet. Dadurch ergibt sich eine korrespondierende Anordnung der Kühllanzen 112 und der Einzelkondensatoren 130x. Die Kühllanzen 112 und die Einzelkondensatoren 130x sind in einem geringen Abstand zueinander angeordnet. Die Kühllanzen 112 bewirken eine Vergrößerung der Oberfläche des Gehäuses 110, so dass eine vergrößerte Kühlleistung bereitgestellt wird.
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Die Einzelkondensatoren 130x sind mit dem Busbar 120 elektrisch gekoppelt. Der Busbar 120 umfasst Zuleitungen 128, 129 für die Einzelkondensatoren 130x, so dass die Einzelkondensatoren 130x mit den Gleichspannungssignalen DC+ und DC- gekoppelt sind. Die Einzelkondensatoren 130x sind in dem Gehäuse 110 „nackt“ angeordnet, d.h. die einzelnen Einzelkondensatoren 130x weisen kein individuelles separates Einzelkondensatorgehäuse auf. Die Einzelkondensatoren 130x stellen jeweils eine Kapazität zwischen den Gleichspannungssignalen DC+ und DC- bzw. den Anschlüssen 122, 124 bereit. Die Einzelkondensatoren 130x wirken zusammen. Die Einzelkondensatoren 130x können z.B. parallel und/oder seriell verschaltet sein, so dass sich eine Gesamtkapazität der Einzelkondensatoren 130x als Summe der Kapazitäten der einzelnen Einzelkondensatoren 130x darstellt.
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Der Busbar 120 ist mittels der Anschlüsse 122 mit einem Stromrichter 140 gekoppelt. Der Stromrichter 140 kann eine B6-Brücke umfassen. Der Stromrichter 140 kann Halbleiterschaltelemente umfassen, die insbesondere im Leistungsmodul 240 enthalten sein können. Der Stromrichter 140 kann eine Wechselspannung (Drei-Phasen-Spannung) für eine elektrische Maschine 200 bereitstellen. Der Busbar 120 kann mittels der Anschlüsse 124 mit einer Batterie 150 bzw. einer Gleichspannungsquelle gekoppelt sein. Dadurch bilden die Einzelkondensatoren 130x als Kondensatoranordnung 100 einen Zwischenkreiskondensator zwischen einem Gleichspannungskreis und einem Wechselspannungskreis. Der Zwischenkreiskondensator ist dann derart eingerichtet, dass er Schwankungen in den entsprechenden Spannungsamplituden ausgleichen oder zumindest vermindern kann.
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Das Gehäuse 110 ist mit einer Vergussmasse 114 befüllt (nicht gezeigt). Die Vergussmasse 114 füllt das zwischen den Einzelkondensatoren 130x und dem Gehäuse 110 bzw. dessen Kühllanzen 112 vorliegende Volumen zumindest teilweise aus. Die Vergussmasse 114 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Vergussmasse 114 kann eingerichtet sein, um Wärme aus einem von dem Gehäuse 110 definierten Innenvolumen an das Gehäuse 110 abzuleiten. Wärme kann beispielsweise durch den Betrieb des Busbar 120 und/oder der Einzelkondensatoren 130x entstehen.
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Die Vergussmasse 114 weist auch dielektrische Eigenschaften auf. Die Vergussmasse 114 stellt ein Dielektrikum des Entstörkondensators 160 dar. Der Stromrichter 140, der Busbar 120 und/oder die Einzelkondensatoren 130x kann bzw. können hochfrequente Signalanteile (Störströme; Oberwellen) aufweisen. Durch die hochfrequenten Signalanteile kann die Funktionalität und damit die Effizienz der elektrischen Maschine 200 beeinträchtigt werden. Der Entstörkondensator 160 ermöglicht die Ableitung von hochfrequenten Signalanteilen zum Gehäuse 110 und damit zur Masse 220. Dadurch wird die Signalqualität vorteilhaft verbessert. Es ist bekannt Entstörkondensatoren als diskrete Bauteile zu implementieren. Derartige diskrete Bauteile können vorliegend durch die Nutzbarmachung der Vergussmasse 114 als Dielektrikum des Entstörkondensators 160 vorteilhaft eingespart werden. Somit kann die Produktionseffizienz erhöht werden.
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Die Eigenschaften des Entstörkondensators 160, insbesondere seine Kapazität, können über den Abstand der Einzelkondensatoren 130x zu dem Gehäuse 110 bzw. zu den Kühllanzen 112 eingestellt werden. Zudem kann das Material der Vergussmasse 114 entsprechend gewählt werden. Die Vergussmasse 114 gewährleistet auch eine flächige Kontaktierung der Einzelkondensatoren 130x, deren Zuleitungen, der Busbar 120 und dem Gehäuse. Dadurch ist der Entstörkondensator nicht punktförmig sondern dreidimensional implementiert, so dass die elektromagnetische Verträglichkeit weiter verbessert wird.
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Das Gehäuse 110 kann auf einer Gehäuseoberfläche 117 einen Kühlkanal umfassen. Der Kühlkanal kann eingerichtet sein, um von einem Kühlmittel durchflossen zu werden, so dass in dem Gehäuse 110 entstehende Wärme abführbar ist. Das Gehäuse 110 ist eingerichtet, um einen magnetischen Fluss zu führen. Dazu kann zumindest ein Teil des Gehäuses 110 Stahlblech und/oder µ-Metall umfassen. Das Gehäuse 110 kann auch eine Beschichtung aus diesen Materialien umfassen und ansonsten im Wesentlichen Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung umfassen. Es kann auch das im Wesentlichen gesamte Gehäuse 110 einen magnetischen Fluss führen. Insbesondere ist das Gehäuse 110 mit einem magnetischen Fluss führenden Metalldeckel verschließbar (nicht gezeigt). Das Gehäuse 110 umfasst Befestigungsmöglichkeiten 118 mittels denen das Gehäuse 110 der Kondensatoranordnung 100 mit einem Maschinengehäuse 210 der elektrischen Maschine 200 mechanisch direkt oder indirekt verbindbar ist, vorzugsweise direkt.
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2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ersatzschaltbilds der Kondensatoranordnung 100. Der Stromrichter 140 ist mit den Anschlüssen 122 gekoppelt. An den Anschlüssen 122 liegen die Gleichspannungssignale DC+ und DC- an. Über entsprechende Zuleitungen des Busbar 120 werden die Einzelkondensatoren 130a, 130b, 130c eingangsseitig mit den Anschlüssen 122 kontaktiert. Die Einzelkondensatoren 130a, 130b, 130c sind entsprechend einer Parallelschaltung angeordnet. Die Einzelkondensatoren 130a, 130b, 130c sind mittels weiterer Zuleitungen mit den Anschlüssen 124 gekoppelt. Die Anschlüsse 124 sind mit der Batterie 150 gekoppelt. Die Einzelkondensatoren 130a bis 130c sind in dem Gehäuse 110 angeordnet und mit der Vergussmasse 114 vergossen. Die Kondensatoranordnung kann auch einen oder mehrere X-Kondensatoren zwischen DC+ und DC- aufweisen. Die Einzelkondensatoren 130a bis 130c sind mittels der Entstörkondensatoren 160a, 160b, 160c, 160d, 160e, 160f mit dem Gehäuse 110 gekoppelt. Die Entstörkondensatoren 160a bis 160f sind in 2 zwar als diskrete Bauteile gezeigt, jedoch dient dies nur der Veranschaulichung. Die Entstörkondensatoren 160x können als einzelner verteilter Entstörkondensator 160 angesehen werden, dessen Dielektrikum durch die Vergussmasse 114 bereitgestellt wird. Dazu weist die Vergussmasse 114 derartige dielektrische Eigenschaften auf, dass der Entstörkondensator 160 im Wesentlichen elektrisch leitfähig für hochfrequente Signalanteile sind. Es können auch mehr oder weniger Entstörkondensatoren 160x vorliegen, jedoch zumindest einer. Das bedeutet, dass die Vergussmasse 114 auch im Wesentlichen als Dielektrikum eines einzelnen Entstörkondensators 160 wirken kann. Natürlich können auch mehr Einzelkondensatoren 130x oder weniger Einzelkondensatoren 130x in dem Gehäuse 110 angeordnet sein, jedoch zumindest zwei. Das Gehäuse 110 der Kondensatoranordnung 100 ist mittels der Befestigungsmöglichkeiten 118 direkt mit dem Maschinengehäuse 210 einer elektrischen Maschine 200 mechanisch gekoppelt. Beide Gehäuse sind elektrisch leitfähig. Das Maschinengehäuse 210 ist mit Masse 220 gekoppelt. Das Gehäuse 110 ist dann ebenfalls mit Masse 220 gekoppelt. Das Gehäuse 110 kann auch direkt unmittelbar mit Masse 220 gekoppelt sein.
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3 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Stromrichters 140 im Verbund mit einer elektrischen Maschine 200. Der Stromrichter 140 umfasst unter anderem die Kondensatoranordnung 100 und das Leistungsmodul 240. Das Leistungsmodul 240 ist eingerichtet, um eine elektrische Leistung anhand von elektronischen Schaltkomponenten (Halbleiterschalter) bereitzustellen. Beispielsweise kann das Leistungsmodul 240 eingerichtet sein, um eine Frequenz oder einen Spannungspegel zu variieren. Das Leistungsmodul 240 ist mit den Anschlüssen 122 gekoppelt. Das Leistungsmodul 240 ist mittels der Zuleitungen 250 mit der elektrischen Maschine 200 gekoppelt. Durch das Leistungsmodul 240 bzw. dessen Halbleiterschaltelemente können generell hochfrequente Signalanteile (z.B. Oberwellen) generiert werden, die Störungen in der zugrundeliegenden elektrischen Schaltung verursachen und die Effizienz des Aufbaus und damit auch der elektrischen Maschine 200 verringern. Deshalb sieht die Kondensatoranordnung 100 einen Entstörkondensator 160 vor, die durch die Vergussmasse 114 als nicht-diskrete Bauteile gebildet sind. Der Entstörkondensator 160 ermöglichen ein Ableiten der hochfrequenten Signalanteile durch die anhand der Vergussmasse 114 realisierten flächigen Kopplung zur Masse 220 in besonders wirkungsvoller Weise. Dadurch werden als diskrete Bauteile ausgeführte Entstörkondensatoren bzw. deren Produktionsschritte vorteilhaft eingespart. Die flächige Kontaktierung anhand der Vergussmasse 114 bewirkt auch, dass Kontaktwiderstände vorteilhaft verringert werden. Das Leistungsmodul 240 kann eine Kühlungsstruktur umfassen, auf der die Schaltelemente bzw. Halbleiterbauelemente des Leistungsmoduls 240 angeordnet sind. Die Kühlungsstruktur kann aus Keramik gebildet sein. Deshalb ermöglicht die vorliegende Kondensatoranordnung 100 die Rückführung der hochfrequenten Signalanteile zur Quelle auf dem kürzest möglichen Weg und damit in besonders effizienter Weise.
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Das Gehäuse 110 der Kondensatoranordnung 100 ist direkt unmittelbar mit dem Maschinengehäuse 210 der elektrischen Maschine 200 mechanisch gekoppelt. Dabei ist das Gehäuse 110 derart am Maschinengehäuse 210 der elektrischen Maschine 200 angeordnet, dass ein niederimpedanter Pfad zwischen der Kondensatoranordnung 100 und der elektrischen Maschine 200 bereitgestellt wird. Die Kondensatoranordnung 100 ist insbesondere sehr nah an der elektrischen Maschine 200 angeordnet, so dass zwischen dem Leistungsmodul 240, der Kondensatoranordnung 100 und der elektrischen Maschine 200 ein guter thermischer Kontakt und ein niederimpedanter Pfad bereitgestellt wird. Dadurch können hochfrequente Signalanteile besonders effektiv mittels des in der Kondensatoranordnung 100 implementierten Entstörkondensators 160 zur Quelle, dem Leistungsmodul 240, zurückgeführt werden.
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Das Leistungsmodul 240 und die Kondensatoranordnung 100 (Zwischenkreiskondensator) können Teile eines Umrichters bzw. Stromrichters (Leistungselektronik) sein. Der Stromrichter umfasst das Leistungsmodul, die Kondensatoranordnung und gegebenenfalls weitere Komponenten.
