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Die Erfindung betrifft eine Kondensatoreneinheit, insbesondere für den Einsatz in einem Zwischenkreis eines Umrichters, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung einen Umrichter mit einer solchen Kondensatoreneinheit und ein Fahrzeug, welches einen solchen Umrichter aufweist.
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Frequenzumrichter, im Folgenden als Umrichter bezeichnet, finden eine weite Verbreitung in der Ansteuerung von Elektromotoren. Umrichter sind in der Lage, Wechselspannungen in ihrer Frequenz und ihrer Amplitude zu modulieren. Umrichter bestehen aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter, wobei der Gleichrichter die eingehende Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt, welche anschließend im Zwischenkreis mit einem sogenannten Zwischenkreiskondensator gespeichert und dadurch ausgeglichen oder geglättet wird. Im Anschluss daran wird die geglättete Gleichspannung durch den Wechselrichter in eine Wechselspannung einstellbarer Frequenz gewandelt. Mittels der Frequenz kann zum Beispiel die Drehzahl eines angeschlossenen Motors eingestellt werden. Diese Umrichter werden in vor allem beispielsweise im Bereich der Produktionsmaschinen und seit einigen Jahren verstärkt in Bereich der elektrisch betriebenen Fahrzeuge, insbesondere der Hybridfahrzeuge eingesetzt. Um die elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu verbessern, werden in der Regel Entstörkapazitäten, sogenannte Y-Kondensatoren in den Umrichters integriert. Die hier beschriebene Erfindung beschreibt die Integration von Y-Kondensatoren innerhalb des Zwischenkreises. Es ist jedoch hervorzuheben, dass die Erfindung auch für Y-Kondensatoren angewandt werden kann, welche an anderen Stellen im Umrichter integriert sind. Zudem ist diese Erfindung nicht auf den Einsatz von Kapazitäten beschränkt sondern kann auch beispielsweise zur Integration weiterer Bauteile wie Induktivitäten (Spulen) vorteilhaft eingesetzt werden.
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Die zu verwendenden Entstörkapazitäten müssen eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen. Um den Einsatz der vorliegenden Erfindung nicht ausschließlich auf den Zwischenkreiskondensator in einem Umrichter zu beschränken, werden im Folgenden Y-Kondensatoren als Entstörkapazitäten und der Zwischenkreiskondensator als Leistungskondensator bezeichnet. Ferner wird der Begriff eingehaust in diesem Dokument dergestalt verstanden, dass ein Bauteil oder mehrere Bauteile in einem Gehäuse oder mehreren Gehäusen eingebaut werden und die Bauteile mit dem Gehäuse oder mehrere Gehäuse mit den ihnen zugeordneten Bauteilen zusammen eine Einheit bilden.
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Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden Entstörkondensatoren als zusätzliche Bauelemente in den Zwischenkreis, beispielsweise auf einer Steuerplatine eingesetzt. Als eine Weiterentwicklung davon wird in der
DE 10 2009 055 376 A1 vorgeschlagen, Entstörkapazitäten an die Gehäusewand des Leistungskondensators zu befestigen. Hierbei bilden Bestromungseinheiten, die durch ein Dielektrikum von der metallischen Außenwand der Leistungskondensatoren getrennt sind, die Entstörkondensatoren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entstörkapazitäten besser in die Leistungskondensatoren zu integrieren.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kondensatoreneinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Entstörkapazitäten und die Leistungskondensatoren in einem Gehäuse eingehaust sind, wobei die elektrische Verbindung der Leistungskondensatoren mit den Entstörkapazitäten innerhalb des Gehäuses verläuft und wobei die Entstörkapazitäten jeweils mit dem Anschluss, der nicht mit dem Leistungskondensator verbunden ist, über ein elektrisch leitfähiges Teil des Gehäuses geerdet sind.
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Die Aufgabe wird weiter durch einen Umrichter gemäß dem Anspruch 9 und ein Fahrzeug gemäß dem Anspruch 10 gelöst.
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Umrichter bestehen, insbesondere im mobilen Einsatzbereich, aus einer Steuerplatine, welche große Leistungskondensatoren zum Ausgleich des Spannungsverlaufes im Zwischenkreis aufweisen. Aufgrund der hohen Spannung im Zwischenkreis (bis zu 1000 Volt) weisen geeignete Leistungskondensatoren ein hohes Gewicht und große Ausmaße auf. Aus diesem Grund werden sie oft gesondert von der Platine, auf der sich weitere elektronische Bauteile des Umrichters befinden, montiert. Leistungskondensatoren sind häufig Quaderförmige Gebilde. Meist wird die Platine fest mit dem Leistungskondensator mittels eines Befestigungselementes verbunden. Durch diese Befestigung wird eine stabile Einheit erzeugt. Weiterhin können Entstörkondensatoren aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts die mechanische Stabilität herabsetzen. Zum einen ist es für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nachteilig, Entstörkapazitäten auf der Platine anzuordnen, da die Platine in diesem Fall über einen Masseleiter geerdet sein muss. Weiter können unerwünschte Induktivitäten auftreten.
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Erfindungsgemäß bilden die ebenfalls erhebliche Außenmaße aufweisenden Entstörkapazitäten eine Kondensatoreneinheit, wobei sowohl der Leistungskondensator oder die Leistungskondensatoren als die Entstörkapazitäten in einem Gehäuse oder in mehrere Gehäuse eingehaust werden und eine Kondensatoreneinheit bilden. Oft ist die Unterbringung der Leistungskondensatoren und der Entstörkapazitäten in einem geschlossenen Gehäuse die beste Lösung. Eine Aufteilung in mehrere Gehäuse kann jedoch bei einer Nachrüstung bestehender Kondensatoreneinheiten oder Umrichter vorteilhaft sein. Zudem ist die Verwendung von mehreren Gehäusen, die fest miteinander verbunden sind, dann vorteilhaft, falls nur das Gehäuse, welches die Entstörkapazitäten aufweist, teilweise aus Metall besteht. So kann beispielsweise Gewicht eingespart werden. Der Zwischenkreis kann verschiedenartig modifiziert werden, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern. Leistungskondensatoren und/oder Entstörkapazitäten können auch aus mehreren Kondensatoren/Kapazitäten bestehen, welche in Reihe oder parallel geschaltet sind. Die Parallelschaltung mehrerer Leistungskondensatoren und/oder die Parallelschaltung mehrerer Entstörkapazitäten weist den Vorteil auf, dass bei einem Ausfall einer der Kondensatoren kein vollständiger Ausfall der Schaltung resultiert. Weiterhin kann ein Kostenvorteil vorliegen, falls ein Kondensator einer hohen Kapazität durch mehrere Kondensatoren einer geringeren Kapazität ersetzt wird.
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Eine gemeinsame Unterbringung mehrerer Kondensatoren in einem Gehäuse erhöht die mechanische Stabilität des Umrichters, beispielsweise gegen Erschütterungen. Eine hohe mechanische Stabilität ist insbesondere im mobilen Einsatzbereich, beispielsweise in Fahrzeugen von Bedeutung. Ein weiterer Vorteil dieser Kondensatoreneinheit ist die verbesserte Möglichkeit der Erdung der Entstörkapazitäten im Vergleich zu einer Befestigung der Entstörkapazitäten auf einer Platine oder gegenüber einer Befestigung an einer Gehäuseseite des Leistungskondensators.
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Eine wirksame Erdung ist beispielsweise durch ein metallisches Gehäuse möglich, wobei der dafür vorgesehene Anschluss der Entstörkapazität von innen mit dem Gehäuse verbunden wird, so dass über das elektrisch leitfähige Gehäuse eine gute Verbindung zum geerdeten Masseleiter vorliegt. In Falle eines, gegebenenfalls elektrisch betriebenen, Fahrzeugs kann die Erdung auch die Karosserie sein. Für eine gute Erdung muss das Gehäuse nicht vollständig aus einem leitfähigen Material bestehen. Möglich sind auch einzelne leitfähige Bereiche, welche die Entstörkondensatoren von innen zu den, außerhalb des Gehäuses verlaufenden Masseleiter (Erdung) verbinden. Als leitfähige Verbindung des Gehäuses zum Masseleiter oder zur Erdung sind insbesondere Löcher für die Befestigung des Umrichters mit der Umgebung zu sehen. Beispielsweise erfolgt eine leitfähige Verbindung durch eine Schraubverbindung mit der Umgebung. Diese Umgebung ist wie beschrieben beispielsweise die Karosserie des elektrisch betriebenen Fahrzeugs oder das Gehäuse einer elektrischen Maschine. Falls sich kein Masseleiter oder Zugang zu einer Erdung in unmittelbarer Nähe zur der Kondensatoreneinheit befindet, kann auch eine elektrisch leitfähige Verbindung zu dieser erfolgen.
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Ein weiterer Vorteil einer Verbindung der Entstörkapazitäten mit den Leistungskondensatoren innerhalb des Gehäuses ist die Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) durch die Minimierung schaltungsinterner Induktivitäten. Induktivitäten im Zwischenkreis des Umrichters werden beispielsweise durch Leitungen, die auf der Platine verlaufen sowie durch die Verbindungsleitungen von den Leistungskondensatoren und oder den Entstörkapazitäten zu der Platine hervorgerufen. Durch den beschriebenen Aufbau, insbesondere durch die Möglichkeit der Nachrüstung lassen sich die Herstellungskosten eines Umrichters reduzieren, da die Kondensatoreneinheiten separat gefertigt werden können und in der Endmontage des Umrichters keine weiteren Entstörkapazitäten erforderlich sind. Zur Befestigung der Leistungskondensatoren oder der Entstörkondensatoren mit dem Gehäuse ist eine Einbettung in eine Vergussmasse, welche das Gehäuse auffüllt besonders vorteilhaft. Zum einen werden so die einzelnen Bauteile in ihrer Position gehalten. Dies schützt die Kondensatoreneinheit vor einer Beschädigung durch Krafteinflüsse oder Erschütterung. Zum anderen sorgt eine Vergussmasse für eine verbesserte Isolierung der Leitungen innerhalb des Gehäuses. Insbesondere Vergussmaterialien mit anorganischen Füllstoffen wie Glimmer sorgen für eine sehr gute Isolation der Zuleitungen für die Leistungskondensatoren. Die Kondensatoreneinheit kann ebenso noch weitere Bauteile zur Entstörung des Umrichters beinhalten.
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Beispielsweise können Leistungsbauteile wie Halbleiterbauelemente im Betrieb gegebenenfalls Störsignale aussenden. Diese werden dann durch das Gehäuse abgeschirmt, insbesondere falls dieses teilweise aus Metall besteht. Im Falle eines Vergusses der Kondensatoreneinheit kann es weiterhin vorteilhaft sein, ein Bauteil mitzuvergießen, welches während des Betriebes Wärme abgibt. Diese Wärme wird dann über das Vergussmaterial und über das Gehäuse nach außen abgegeben. In der Regel besitzt eine Vergussmasse einen höheren Wärmeleitkoeffizienten als Luft. Diese erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse ist auch zur Entwärmung der Leistungskondensatoren und gegebenenfalls der Entstörkapazitäten vorteilhaft. Die Zusammenfassung von mehreren Kondensatoren in einem Gehäuse kann auch den Herstellungsprozess des Umrichters vereinfachen, insbesondere die Endmontage. Falls mehrere Kondensatoren in einem Gehäuse integriert sind, werden in der Endmontage weniger Fertigungsschritte und weniger Einzelteile benötigt. Zudem müssen weniger Leitungen auf der Platine zwischen einzelnen Bauteilen verlegt werden. Für eine noch bessere Abschirmung einzelner Elemente innerhalb des Gehäuses können zusätzliche Trennwände in das Gehäuse eingefügt werden. Diese können, falls sie aus einem leitfähigen Material bestehen, zusätzlich zur besseren Erdung einzelner Bauteile beitragen. Zudem schirmen sie ionisierende Strahlung ab. Dies kann insbesondere bei Fahrzeugen vorteilhaft sein, welche in Bereichen eingesetzt werden, in denen der Umrichter hohen Dosen ionisierender Strahlung ausgesetzt wird. Diese separaten Trennwände können sowohl die ganze Kondensatoreneinheit, oder auch nur einzelne Elemente gegen mechanische und elektrodynamische Einflüsse schützen.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser Kondensatoreneinheit ist die vereinfachte Endmontage eines Umrichters, da durch die Integration der Entstörkapazitäten in die Kondensatoreneinheit weniger Befestigungselemente benötigt werden, weil die Platine mit den weiteren Bauteilen des Umrichters nicht mehr geerdet werden muss. Somit ist die Herstellung eines erfindungsgemäßen Umrichters kostengünstiger zu produzieren.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform ist eine Kondensatoreneinheit, wobei sich die Leistungskondensatoren und die Entstörkapazitäten in einem Gehäuse befinden. Durch die Einhausung aller Kondensatoren in einem Gehäuse wird zum einen eine hohe mechanische Stabilität erreicht. Diese mechanische Stabilität wird zusätzlich noch durch einen Verguss der Bauteile in dem Gehäuse erhöht. Ein Kostenvorteil entsteht durch die Einhausung der Leistungskapazitäten und der Entstörkapazitäten in ein einzelnes Gehäuse, da in diesem Falle kein weiteres Gehäuse gefertigt werden muss und zudem keine zusätzlichen Leitungen durch die Gehäusewände verlegt werden müssen. Zusätzlich bedürfen die eingesetzten Folienkondensatoren durch den Verguss keiner einzelnen Gehäuse. Die einzelnen leitfähigen Schichten der Leistungskondensatoren können mit denen der Entstörkapazitäten direkt verbunden sein. Beispielsweise können die Folien des Leistungskondensators und der Entstörkapazitäten in direktem Kontakt miteinander stehen. In einem solchen Fall werden gegebenenfalls alle Leitungen innerhalb des Gehäuses eingespart. Die Unterbringung des Leistungskondensators und der Entstörkapazität kann zudem durch eine Integration der Entstörkapazität in den Leistungskondensator selbst erfolgen. Hierzu wird eine zusätzliche elektrisch leitfähige Schicht in das Dielektrikum und somit zwischen den leitfähigen Schichten des Leistungskondensators selbst eingebracht. Diese zusätzliche elektrisch leitfähige Schicht ist gut zu isolieren und über den Masseleiter zu erden. Dabei ist sicherzustellen, dass die zusätzliche elektrisch leitfähige Schicht keine Verbindung zu den leitfähigen Elementen des Leistungskondensators aufweist. Die zusätzliche elektrisch leitfähige Schicht sollte nicht die den gesamten Bereich des Dielektrikums des Leistungskondensators abdecken. Die zusätzliche elektrisch leitfähige Schicht kann auch durch eine eigene Isolationsschicht isoliert werden und eine Entstörschicht bilden. Diese geerdete Entstörschicht ist daraufhin bereichsweise in oder auf das Dielektrikum des Leistungskondensators zu integrieren. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist die kostengünstige Herstellung und die Einsparung von Leitungen. Zudem kann diese Integration auch in anderen Einsatzgebieten wie bei großen Netzteilen angewendet werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten dieser Integration sind der Hifi- und Audiobereich sowie im Bereich der Kraftwerkstechnik.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform ist eine Kondensatoreneinheit, wobei für die Leistungskondensatoren und/oder die Entstörkondensatoren jeweils ein separater Gehäusebereich vorgesehen ist, wobei die einzelnen Bereiche des Gehäuses durch Trennwände geteilt sind. Die Auftrennung des Innenteils des Gehäuses in zwei oder mehrere Bereiche kann unter den Gesichtspunkten der Verkabelung einzelner Bauteile vorteilhaft sein, insbesondere unter Berücksichtigung der Isolation der Leitungen untereinander und zum, gegebenenfalls leitfähigen, Gehäuse. Beispielsweise können die Entstörkapazitäten sich vornehmlich in einem Bereich, beispielsweise nahe einer Gehäusewand, lokalisiert sein. Dies führt zu einer verbesserten Verbindung der Entstörkapazitäten zum Masseleiter und verhindert gegebenenfalls eine Beeinflussung der Leistungskondensatoren durch die Spannungsschwankungen an den Entstörkapazitäten. Um diese Abschirmung zusätzlich noch zu verstärken, können Trennwände zwischen den einzelnen Bereichen oder zwischen einzelnen Bauteilen liegen. Diese Trennwände dienen zur mechanischen Abschirmung, zur magnetischen Abschirmung oder zur Verbesserung der Isolation einzelner Bauteile innerhalb des Gehäuses. Zusätzlich hat eine gegebenenfalls auftretende Beschädigung der Entstörkapazitäten keinen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit des Leistungskondensators.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform ist eine Kondensatoreneinheit, wobei das Gehäuse teilweise aus Metall besteht. Eine elektrisch leitfähige Verbindung der entsprechenden Anschlüsse der Entstörkapazitäten zum Masseleiter, welcher sich in der Regel außerhalb des Gehäuses befindet bedarf unvorteilhaft eines weiteren Erdungsanschlusses, welcher durch das Gehäuse verlaufen muss. Eine solche Verbindung ist in einfacher Art und Weise durch ein Gehäuse gegeben, welches teilweise aus einem metallischen Werkstoff besteht. Hierbei muss nicht das ganze Gehäuse aus Metall bestehen. Beispielsweise kann die Bodenwand des Gehäuses aus Metall gefertigt sein und die weiteren Seitenwände aus Kunststoff bestehen. So kann ein elektrisch leitfähiger Kontakt von der Innenseite des Gehäuses zur Außenseite des Gehäuses und weiter zum Masseleiter oder dem Erdungsanschluss geleitet werden. Die elektrische Verbindung wird hierbei durch die bereichsweise leitende Gehäusewand gewährleistet. Weiterhin vorteilhaft kann auch ein Gehäuse sein, welches nahezu vollständig aus Metall besteht und nur nahe der Anschlüsse, beispielsweise der Leistungskondensatoren, bereichsweise aus Kunststoff besteht, um die notwendige Isolation zu gewährleisten. Dabei kann der Kunststoff auch durch die Vergussmasse ersetzt sein. Als metallische Werkstoffe für das Gehäuse eignen sich insbesondere Aluminium-, Magnesium-, Eisen-, Kupfer- oder Titanlegierungen. Zur bereichsweisen Isolation eignen sich Kunststoffe oder anorganische Materialien wie Glimmer. Anstelle von ganzen Bereichen nichtleitender oder leitender Gehäusebereiche können ist auch eine Kombination aus Leitern und Isolatoren denkbar, ebenso wie ein Kunststoffgehäuse, welches durch metallische Drähte durchzogen ist. Diese metallischen Drähte können beispielsweise leitfähige Beschichtungen der Innenseite mit einem Anschluss an der Außenseite verbinden.
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Eine weitere vorteilhaft Ausgestaltungsform befinden sich die Leistungskondensatoren und die Entstörkapazitäten in jeweils einem Gehäuse befinden. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich sowohl zur Nachrüstung schon vorhandener Kondensatoreneinheiten, die noch keine ausreichende elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen als auch eine weitere Ausführungsmöglichkeit der oben beschriebenen Einhausung. Vorteilhaft an einer Aufteilung in mehrere Gehäuse ist die Zugriffsmöglichkeit auf die elektrischen Verbindungen, welche sonst innerhalb des Gehäuses verlaufen. Zusätzlich muss bei einer Beschädigung eines Teils der Kondensatoreneinheit nur der beschädigte Teil ausgetauscht werden. Dies ist insbesondere aus ökologischen Gesichtspunkten wünschenswert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform ist eine Kondensatoreneinheit, wobei die Leistungskondensatoren und die Entstörkapazitäten, sowie weitere Befestigungselemente, welche auch als Anschlüsse für die elektronischen Bauteile dienen, zusammen im Gehäuse vergossen sind. Eine notwendige Eigenschaft des Umrichters, welcher beispielsweise in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug eingesetzt wird, ist die Stabilität desselben gegen Erschütterung. Da der Leistungskondensator des Zwischenkreises im Vergleich zu den restlichen Bauteilen ein hohes Gewicht und große Abmessungen aufweist, ist es sinnvoll, die Platine mit den weiteren Bauteilen fest mit der Kondensatoreneinheit zu verbinden. Hierfür ist die Benutzung der Verbindungselemente, beispielsweise der mit eingegossenen Gewinden für eine Schraubverbindung vorteilhaft. Diese Verbindungselemente dienen sowohl zur Spannungsübertragung von der Platine zu den Leistungskondensatoren in der Kondensatoreneinheit. So müssen keine weiteren elektrischen Verbindungen von dem Leistungskondensator oder den Leistungskondensatoren zur Platine bestehen. Zudem können über eine solche Verbindung auch Bauteile, die sich auf der Platine befinden, über das Gehäuse und/oder einen Masseleiter geerdet werden. Dieser Aufbau weist neben dem Vorteil einer Einsparung von Verbindungsleitungen eine hohe Stabilität auf. Im Falle einer Schraubverbindung kann auf eine schlecht lösbare Lötverbindung verzichtet werden. Dies vereinfacht einen Wartungsprozess in vorteilhafter Art und Weise.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform ist eine Kondensatoreneinheit, wobei die Leistungskondensatoren und/oder die Entstörkapazitäten direkt mit einer Platine, beispielsweise durch eine Lötverbindung befestigt sind, wobei an der Platine weitere Bauteile befestigt sind und die weiteren Bauteile durch elektrische Leitungen miteinander gemäß den Anforderungen der elektronischen Schaltung miteinander in Kontakt stehen, wobei die Leistungskondensatoren und/oder die Entstörkondensatoren und/oder gegebenenfalls weiterer Bauteile durch ein bereichsweise leitfähiges Gehäuse bedeckt sind und wobei ein Hohlraum, abgegrenzt durch die Innenflächen des Gehäuses und der Platine, mit einem Feststoff vergossen ist. Eine Befestigung der Platine an die Kondensatoreneinheit durch Lötverbindung stellt eine weitere, kostengünstige Verbindungsmethode der Platine mit der Kondensatoreneinheit dar. Diese Verbindung ist insbesondere für Umrichter geeignet, bei denen eine Schraubverbindung nicht vorteilhaft ist. Dies ist beispielsweise für Umrichter vorteilhaft, die eines besonders kostengünstigen Herstellungsverfahrens bedürfen. Ferner ist auch die Möglichkeit gegeben, die Platine in einem Arbeitsgang mit der Kondensatoreneinheit durch eine Klebeverbindung mittels der Vergussmasse zu verbinden. So werden die sonst eingesetzten Befestigungselemente eingespart. Eine Kombination von verschiedenen Befestigungsmethoden bei unterschiedlichen Anschlüssen kann auch in vorteilhafter Art und Weise eine kostengünstige Verbindung und Verschaltung der Platine mit der Kondensatoreneinheit darstellen. Beispielsweise kann die Verbindung der Leistungskondensatoren über Schraubverbindungen erfolgen, während die Erdung über eine Lötverbindung erfolgt. Zusätzlich können, falls die Kondensatoreneinheit über weitere Bauteile verfügt, auch diese über eine der vorgestellten elektrisch leitfähigen Verbindungen mit der Platine verbunden werden. Wie oben schon geschildert, können Bauteile, welche beim Betrieb Wärme an ihre Umgebung abgeben, in thermischen Kontakt mit der Vergussmasse stehen. So lässt sich gegebenenfalls Platz, Gewicht und/oder ein Kühlkörper zur Entwärmung der entsprechenden Bauteile einsparen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform ist eine Kondensatoreneinheit, wobei die Leistungskondensatoren eine Kapazität von Beispielsweise im Bereich von 300 Mikrofarad bis 700 Mikrofarad und wobei die Entstörkapazitäten eine Kapazität von Beispielsweise im Bereich von 50 Nanofarad bis 250 Nanofarad aufweisen. Insbesondere in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen wird in der Regel eine Motorbetriebsspannung von etwa 500 Volt eingesetzt. In diesem Einsatzgebiet haben sich, als eine mögliche Dimensionierung, die beiden oben angeführten Kapazitäten als vorteilhaft herausgestellt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel der Kondensatoreneinheit,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kondensatoreneinheit mit zusätzlichen Trennwänden,
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3 eine Seitenansicht mit einer Kondensatoreneinheit mit einer Platine, sowie
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4 ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer Kondensatoreneinheit mit einem weiteren Gehäuse für die Entstörkapazitäten.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Kondensatoreneinheit 1. Diese Kondensatoreneinheit 1 besteht aus einem Gehäuse 2 und darin einem Leistungskondensator 3 sowie zwei Entstörkapazitäten 5, 5’. Die Entstörkapazitäten sind jeweils mit einem Pol des Leistungskondensators 3 verbunden. Der jeweils andere Pol der Entstörkapazitäten 5, 5’ ist durch einen Masseleiter 13 geerdet. Der Leistungskondensator 3 ist mit dem positiven und negativen Pol (entspricht der Bezeichnung + und – in der Figur) des Zwischenkreises verbunden. Die beiden Leitungen 7 zum Anschluss an die Platine oder ein Befestigungselement werden gemäß ihrer Polarität mit Plus (+) respektive mit Minus (–) bezeichnet. Die Leitungen 7 verlaufen innerhalb des Gehäuses 2 und die Zuleitungen 7 bzw. der Masseleiter 13 ist durch eine Gehäuseöffnung nach außen geführt. Obgleich es in diesem Bild nicht gezeigt ist, besteht die Möglichkeit, den Masseleiter 13 ebenfalls mit dem Gehäuse 2 zu verbinden, falls dieses elektrisch leitfähig ist. Dabei muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Zuleitungen 7 des Leistungskondensators 3 zum Zwischenkreis in ausreichendem Maße gegenüber dem Gehäuse 2 isoliert sind. Die rechteckige Darstellung des Leistungskondensators 3 sowie der Entstörkapazitäten 5, 5’ soll darauf hindeuten, dass vorzugsweise Folienkondensatoren als Entstörkapazitäten 5, 5’ sowie als Leistungskondensator 3 Verwendung finden. Als besonders vorteilhaft für den Leistungskondensator 3 haben sich Aluminiumkondensatoren oder Folienkondensatoren erwiesen. Da in diesem Beispiel die Leitungen 7, insbesondere die Leitungen 7 zum Zwischenkreis, Spannungen bis zu 1.000 V führen, ist auf eine gute Isolierung zu achten. Das Gehäuse 2 ist dabei außer den Durchführungsöffnungen vollständig zu verschließen. Eine zusätzliche Verbesserung der Isolation lässt sich durch eine Vergussmasse 11 erreichen, welche die Zwischenräume im Gehäuse 2 auffüllt. Für noch höhere Spannungen kann der Vergussmasse 11 zusätzlich anorganische Füllmaterialien beigegeben werden. Somit kann eine optimale Isolation des Innenraums der Kondensatoreneinheit 1 gewährleistet werden. Vorzugsweise wird die Kondensatoreneinheit 1 im Bereich von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Dieser Einsatzbereich erfordert neben einer guten Isolation auch eine hohe mechanische Stabilität, insbesondere gegen Erschütterungen oder Kraftstöße. Daher sind Vorkehrungen zu treffen die es erlauben, die Kondensatoreneinheit 1 fest mit der Karosserie des Fahrzeugs zu verbinden. Vorzugsweise kann ein Fixiermittel wie eine Schraubverbindungen zum Einsatz kommen, wobei darauf geachtet werden muss, dass eine gute Verbindung des Masseleiters 13 zur metallischen Karosserie gewährleistet ist.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kondensatoreneinheit mit zusätzlichen Trennwänden. Dieses Ausführungsbeispiel ist der Kondensatoreneinheit 1, welches in der 1 beschrieben wird, in seiner Funktionsweise und seiner Verschaltung analog. In diesem Ausführungsbeispiel befinden sich drei parallel geschaltete Leistungskondensatoren 3, welche in den Zwischenkreis geschaltet werden. Die runde Form der Leistungskondensatoren 3 sowie der Entstörkapazitäten 5, 5’ soll darauf hinweisen, dass hier Folienkondensatoren Verwendung finden, welche um eine Elektrode herum aufgewickelt worden sind. Dabei befinden sich die Anschlüsse solcher Folienkondensators in der Mitte und die anderen Anschluss der Folienkondensatoren an deren Außenbereich. Das hier gezeigte Beispiel soll verdeutlichen, dass Zwischenkreiskondensatoren auch aus einzelnen Leistungskondensatoren 3 bestehen können, welche in paralleler Art und Weise miteinander verbunden sind. Durch die parallele Verschaltung addieren sich die Kapazitäten der Leistungskondensatoren 3. So kann auf eine kostengünstige Art und Weise eine hohe Kapazität erzeugt werden.
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Beide Anschlüsse Plus (+) und Minus (–) sind zusätzlich über Entstörkapazitäten 5, 5’ mit der Innenseite des Gehäuses 2 verbunden, wobei das Gehäuse 2 zumindest bereichsweise leitfähig ist und so als Masseleiter 13 dient. Das Gehäuse 13 ist zusätzlich durch diesen Masseleiter 13 geerdet. Die Erdung des Gehäuses 2 ist hierbei vorzugsweise durch eine elektrisch leitfähige Verbindung mit der Umgebung zu gewährleisten. Falls das Einsatzgebiet der Kondensatoreneinheit 1 ein Elektrofahrzeug ist, so ist es zweckmäßig, das Gehäuse 2 beispielsweise durch eine Schraubverbindung mit der Karosserie des Fahrzeugs zu verbinden. Dadurch ist eine stabile Verbindung des Masseleiters 13 zur Erde erreicht. Als zusätzliches Merkmal weist diese Ausführung eine Trennwand 13 zwischen den Leistungskondensatoren 3 und den Entstörkapazitäten 5, 5’ auf. Diese Trennwand 15 dient beispielsweise zur Erhöhung der Stabilität und/oder zur Abschirmung der Leistungskondensatoren 3 sowie zum Schutz der Leistungskondensatoren 3 oder der Entstörkapazitäten 5, 5’, falls eines der Bauteile zerstört wird. Dies kann bei einer Überspannung der Fall sein. Falls die Trennwände 15 aus Metall gefertigt sind, muss auf eine ausreichende Isolierung zu den Leitungen geachtet werden. Die Leitungen sind in der Regel durch Öffnungen in der Trennwand durchzuführen. Falls einzelne Entstörkapazitäten 5, 5’ einzeln durch elektrisch leitfähige Trennwände 15 separiert werden, können leitfähige Trennwände 13 auch die Leitung abschnittsweise ersetzen. Hierbei muss jedoch auf ausreichend Isolation der Trennwände 15 unter sich und mit dem Gehäuse 2 geachtet werden. Vorteilhaft ist eine metallische Ausgestaltung der Trennwände auch in dem Fall, falls eine Entstörung oder elektrische Entkoppelung beider Teile der Kondensatoreneinheit 1 benötigt wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, die freien Bereiche des Innenraums durch ein Vergussmittel 11 auszufüllen. So kann eine hohe mechanische Stabilität mit einer sehr guten Isolation verbunden werden. Gleichzeitig erhält diese Anordnung durch die Vergussmittel 11 eine höhere Stabilität gegenüber mechanischen Einflüssen. Durch die Verbindung einzelner Bauteile durch Leitungen 7 innerhalb des geschlossenen Gehäuses ist in diesem Fall die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert, da Induktivitäten, wie sie gelegentlich auf Platinen sowie in Zuleitungen 7 auftreten, wirksam verhindert werden. Auch in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit können Trennwände 15 einen Vorteil bringen.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer Kondensatoreneinheit 1 mit einer Platine 10. Diese Figur dient auch zur Veranschaulichung der Befestigung der Platine 10 an die Kondensatoreneinheit 1. In dieser Darstellung sind die Leistungskondensatoren 3 sowie die Entstörkapazitäten 5, 5’ mit einem gestrichelten Rand gezeichnet, da sie gewöhnlich durch eine Seitenwand des Gehäuses 2 und gegebenenfalls durch die Vergussmasse 11 verdeckt sind. Zusätzlich weist diese Kondensatoreneinheit 1 Verbindungselemente 9 auf, die mit in das Gehäuse fixiert sind. Diese Verbindungselemente 9 dienen sowohl zur Befestigung der Platine 10 – hier durch eine Schraubverbindung angedeutet – als auch zu einer elektrischen Verbindung, welche durch die Leitungen 7, die von den Leistungskondensatoren 3 als auch von den Entstörkapazitäten 5, 5’ ausgehen, mit den Verbindungselementen 9. Die Platine zeigt weitere elektronische Bauteile 17 auf ihrer Oberseite. Diese elektronischen Bauteile 17 sind Teil des Umrichters, jedoch nicht Teil der Kondensatoreneinheit 1.
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4 zeigt ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer Kondensatoreneinheit 1 mit einem weiteren Gehäuse 2’ für die Entstörkapazitäten 5, 5’. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Entstörkondensatoren 5, 5’ in einem weiteren Gehäuse 2’ untergebracht. Das weitere Gehäuse 2’ ist fest mit dem Gehäuse 2 verbunden und beide bilden die Kondensatoreneinheit 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist es nicht notwendig, dass eines der Gehäuse 2, 2’ aus elektrisch leitfähig ist. Die Verbindung zum geerdeten Masseleiter 13 wird hier durch einen Masseleiter 13, welcher mit dem Fixierungsmittel 19 verbunden ist. Dieses Fixierungsmittel 19 verbindet die das Gehäuse 2, 2’ der Kondensatoreneinheit 1 mit der geerdeten Umgebung 12. Die geerdete Umgebung 12 ist im Falle eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs beispielsweise die Karosserie des Fahrzeugs. Die Leitung 7 zwischen den Leistungskondensator 3 und den Entstörkapazitäten 5, 5’ durchläuft eine Öffnung, die überlappend jedes der Gehäuse 2, 2’ aufweist. Der elektrische Kontakt des Leistungskondensators 3 wird durch zwei Befestigungsmittel 9 gewährleistet, an denen vorteilhaft die Platine 10 befestigt ist. Die Befestigung der Platine an der Kondensatoreneinheit kann noch an mehr Stellen erfolgen, obgleich dies hier nicht gezeigt ist. Die Befestigungsmittel 9 sind elektrisch leitfähig. Zur Erdung der Entstörkapazitäten 5, 5’ ist eine Durchführung des Masseleiters 13 vorgesehen, der über das Befestigungsmittel 19 in festem und leitfähigen Kontakt mit der geerdeten Umgebung 12 steht. Der Innenraum der Gehäuse 2, 2’, kann mit einer Vergussmasse 11 versiegelt sein. Dadurch ist eine gute elektrische Isolation im Inneren der Kondensatoreneinheit 1 gewährleistet. In diesem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, allein die Entstöreinheiten, bestehend aus den eingehausten Entstörkapazitäten 5, 5’, außerhalb des Gehäuses 2, welches den Leistungskondensator 3 und gegebenenfalls weitere Bauteile enthält, zu positionieren. Zur Stabilisierung kann die die Entstöreinheit oder auch eine weitere Entstöreinheit mit einer Klebeverbindung an das Gehäuse 2 fixiert sein. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich auch zur Nachrüstung eines Leistungskondensators 3 zur Verbesserung der EMV, der noch nicht mit Entstörkapazitäten 5, 5’ ausgestattet ist.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Kondensatoreneinheit 1 insbesondere zum Einbau in einen Zwischenkreis eines Umrichters. Diese weist mindestens ein Leistungskondensator 3 und mindesten eine Entstörkapazität 5, 5’ auf. Jeweils ein Anschluss des Leistungskondensators 3 ist über eine Entstörkapazität 5, 5’ geerdet. Dabei sind die Entstörkapazitäten 5, 5’ und die Leistungskondensatoren 3 eingehaust und die elektrische Verbindung 7 der Kondensatoren 3, 5, 5’ verläuft innerhalb des Gehäuses 2, 2’. Die Erdung der Entstörkapazitäten 5, 5’ über einen geerdeten Masseleiter 13 ist beispielsweise mit der Innenseite des bereichsweise leitfähigen Gehäuses 2, 2’ verbunden und das Gehäuse 2, 2’ ist von außen geerdet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009055376 A1 [0004]
