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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14.
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Ein Kondensator weist normalerweise mehrere Kondensatoreinheiten auf. 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Kondensator 10, welcher mehrere Kondensatoreinheiten bzw. Kondensatorwickel 11, 12, 13, 14 und 15 aufweist. Der Kondensator ist innerhalb einer Ebene mit parallel geschalteten Kondensatorwickeln 11, 12, 13, 14 und 15 ausgestattet, die, wie in 1 gezeigt, eine gleiche Polarität aufweisen. Die Kondensatoreinheiten 11, 12, 13, 14 und 15 sind in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Die Pluspole der Kondensatorwickel 11, 12, 13, 14 und 15 sind auf der gleichen Seite angeordnet und mit der Plusstromschiene des Kondensators 10 verbunden. Ähnlicherweise sind die Minuspole der Kondensatorwickel 11, 12, 13, 14 und 15 auf der anderen gleichen Seite angeordnet und mit der Minusstromschiene des Kondensators verbunden. Alle Kondensatorwickel 11, 12, 13, 14 und 15 im Kondensator 10 werden normalerweise mit dem gleichen Potential geladen.
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Das magnetische bzw. elektromagnetische Feld 19 bezeichnet die Situation des durch den Kondensator 10 überzeugten elektromagnetischen Feldes innerhalb und außerhalb des Kondensators 10. Die Länge bzw. Größe der Pfeile bezeichnen die Stärke des elektromagnetischen Feldes an der jeweiligen Stelle. Wie in 1 klar gezeigt, kommt es durch die parallele Anordnung und die gleiche Polarität der Kondensatorwickel 11, 12, 13, 14 und 15 zur Verstärkung des elektromagnetischen Gesamtfeldes außerhalb des Kondensators 10. Innerhalb des Kondensators 10 findet eine Verringerung des elektromagnetischen Feldes 19 statt.
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Die Bildung eines relativ großen bzw. größeren elektromagnetischen Gesamtfeldes hat ferner direkt negative Auswirkungen auf sowohl die Akustik, als auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), welche die Kompatibilität des Kondensators mit anderen elektrischen Komponenten beeinträchtigen kann. Des Weiteren kommt es zu einer relativ hohen Streuinduktivität im Kommutierungskreis. Dies führt zu einer hohen Überspannung am Schaltelement, wodurch generell eine Limitierung des Schaltstromes erfolgen muss. Ferner bedingt die schlechte EMV eine zusätzliche EMV-Filterung, welche sich in erhöhten Bauteilkosten niederschlägt.
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Davon ausgehend ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kondensator mit einem verringerten elektromagnetischen Feld außerhalb des Kondensators zu schaffen. Außerdem sollten die Kosten und der Bauraum des Kondensators nicht deutlich erhöht werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 sowie des Patentanspruches 14 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen, wobei auch Kombinationen der einzelnen Anspruchsmerkmale untereinander möglich sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kondensator umfasst wenigstens zwei Kondensatoreinheiten, wobei eine erste Kondensatoreinheit und eine zweite Kondensatoreinheit der wenigstens zwei Kondensatoreinheiten entgegengesetzt polarisiert sind.
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Eine alternierende, parallele Anordnung der Kondensatorwickel ist vorgeschlagen. Die benachbarten Kondensatorwickel weisen eine entgegengesetzte Polarität bzw. Polung auf, wodurch das elektromagnetische Feld lokal zwischen Kondensatorwickel das elektromagnetische Feld verstärkt wird, gleichzeitig das elektromagnetische Gesamtfeld außerhalb des Kondensatorwickels geschwächt wird. Vorteilhaft kann die Eigeninduktivität des Kondensators deutlich verringert werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind eine erste Kondensatoreinheit und eine zweite Kondensatoreinheit der wenigstens zwei Kondensatoreinheiten hinsichtlich ihrer räumlichen Ausrichtung parallel angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Kondensatoreinheiten in einer Kondensatoreinheitenreihe nebeneinander angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kondensator ein Gehäuse auf, das die wenigstens zwei Kondensatoreinheiten enthält.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kondensator einen ersten Kondensatoranschluss und einen zweiten Kondensatoranschluss auf.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die wenigstens zwei Kondensatoreinheiten jeweils einen ersten elektrischen Anschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss auf, wobei die ersten elektrischen Anschlüsse der wenigstens zwei Kondensatoreinheiten in einer ersten Reihe nebeneinander angeordnet sind und die zweiten elektrischen Anschlüsse der wenigstens zwei Kondensatoreinheiten in einer zweiten Reihe nebeneinander angeordnet sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kontaktiert der erste Kondensatoranschluss den ersten elektrischen Anschluss der ersten Kondensatoreinheit und den zweiten elektrischen Anschluss der zweiten Kondensatoreinheit elektrisch, wobei der zweite Kondensatoranschluss den zweiten elektrische Anschluss der ersten Kondensatoreinheit und den ersten elektrische Anschluss der zweiten Kondensatoreinheit elektrisch kontaktiert.
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Vorzugsweise weist der erste Kondensatoranschluss einen ersten Kontaktierungsteil und einen zweiten Kontaktierungsteil auf, wobei der erste Kontaktierungsteil des ersten Kondensatoranschlusses mit dem ersten elektrischen Anschluss der ersten Kondensatoreinheit elektrisch verbunden ist und einen zweiten Kontaktierungsteil des Kondensatoranschlusses mit dem zweiten elektrischen Anschluss der zweiten Kondensatoreinheit elektrisch verbunden ist.
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Vorzugsweise weist der zweite Kondensatoranschluss einen ersten Kontaktierungsteil und einen zweiten Kontaktierungsteil aufweist, wobei der erste Kontaktierungsteil des zweiten Kondensatoranschluss mit dem zweiten elektrischen Anschluss der ersten Kondensatoreinheit elektrisch verbunden ist und einen zweiten Kontaktierungsteil des zweiten Kondensatoranschluss mit dem ersten elektrischen Anschluss der zweiten Kondensatoreinheit elektrisch verbunden ist.
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Vorzugsweise sind die ersten und die zweiten Kondensatoreinheiten in einem Abstand zueinander angeordnet sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kondensator eine dritte Kondensatoreinheit auf, wobei die ersten, zweiten und dritten Kondensatoreinheiten parallel nebeneinander angeordnet sind und wobei die zweite Kondensatoreinheit und dritte Kondensatoreinheit entgegengesetzt polarisiert sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der erste Kondensatoranschluss mit dem ersten elektrischen Anschluss der dritten Kondensatoreinheit elektrisch verbunden, wobei der zweite Kondensatoranschluss mit dem zweiten elektrischen Anschluss der dritten Kondensatoreinheit elektrisch verbunden ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die erste Kondensatoreinheit und/oder die zweite Kondensatoreinheit und/oder die dritte Kondensatoreinheit ein Folienkondensator.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ferner ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit einem oben genannten Kondensator vor.
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Erfindungsgemäß kann eine niedrige Eigeninduktivität des Kondensators verwirklicht werden. Der Aufbau ist mit dem eines konventionalen Folienkondensators vergleichbar. Dadurch ist es möglich, die rechteckige Form des Kondensators beizubehalten. Dies hat den Vorteil, dass bestehende Kondensatoren in Invertern mit relativ geringem Aufwand gegen neuartige Kondensoren getauscht werden können. Da die Erfindung auch eine Stromschienenführung vorschlägt, die den Kondensatorwickeln angepasst ist, wird eine parallele und nahe Führung von Plus- und Minusstromschienen mit Überlappung auf der Stirnseite des Kondensators verwirklicht. Daher können Verschlaufungen vermieden werden.
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Durch Beibehaltung der rechteckigen Form des Kondensators ist es zudem problemlos möglich, die neuartigen Kondensatoren in den bestehenden Invertern einzusetzen, wodurch keine weiteren Umbaumaßnahmen anfallen. Außerdem kann das Bauteilmaterial der Stromschienenführung eingespart werden. Daher kann der erfindungsgemäße Kondensator kostengünstig realisiert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Kondensator;
- 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäße Kondensators mit zwei Kondensatoreinheiten mit gegengesetzter Polarität;
- 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kondensators mit den entgegengesetzt polarisierten Kondensatoreinheiten;
- 4 die Stromschienen des erfindungsgemäßen Kondensators; und
- 5 eine schematische Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Kondensator und dessen resultierendes magnetisches Feld.
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Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Um die Eigeninduktivität des Kondensators zu verringern, schlägt die Erfindung eine entgegengesetzt polarisierte bzw. alternierende Anordnung der Kondensatoreinheiten vor. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild (ESB) eines erfindungsgemäßen Kondensators mit zwei Kondensatoreinheiten bzw. Kondensatorwickeln mit Anschluss der HV-Batterie (2 rechts) und zur Leistungselektronik (2 links). Der Strom i1 fließt über eine erste Kondensatoreinheit durch. Der Strom i2 fließt über die zweite Kondensatoreinheit durch. Der Plus-Pol der ersten Kondensatoreinheit ist mit dem Plus-Pol der HV-Batterie angeschlossen, während der Minus-Pol der ersten Kondensatoreinheit mit dem Minus-Pol der HV-Batterie angeschlossen ist. Der Plus-Pol der zweiten Kondensatoreinheit ist mit dem Plus-Pol der HV-Batterie angeschlossen, während der Minus-Pol der zweiten Kondensatoreinheit mit dem Minus-Pol der HV-Batterie angeschlossen ist.
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Wie in 2 veranschaulicht, sind die zwei Kondensatoreinheiten gegengesetzt polarisiert, d.h. der Plus-Pol der ersten Kondensatoreinheit und der Minus-Pol der zweiten Kondensatoreinheit sind auf derselben Ebene nebeneinander angeordnet. Ähnlicherweise sind der Minus-Pol der ersten Kondensatoreinheit und der Plus-Pol der zweiten Kondensatoreinheit auf derselben zweiten Ebene nebeneinander angeordnet.
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Durch die entgegengesetzt polarisierten Kondensatoreinheiten kann das gesamte elektromagnetische Feld außerhalb des Kondensators verringert werden. Gleichzeitig wird das elektromagnetische Feld lokal zwischen Kondensatoreinheiten verstärkt.
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3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators 20. Der Kondensator 20 weist Kondensatoreinheiten bzw. Kondensatorwickel 21, 22, 23, 24 und 25, eine erste Stromschiene bzw. Kondensatoranschluss 30 und eine zweite Stromschiene bzw. Kondensatoranschluss 40 auf.
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Die Kondensatorwickel 21, 22, 23, 24 und 25 sind, wie in 3 veranschaulicht, parallel nebeneinander angeordnet. Die Kondensatorwickel 21, 22, 23, 24 und 25 weisen jeweils einen ersten elektrischen Anschluss auf der Oberseite und einen zweiten elektrischen Anschluss auf der Unterseite auf. Die Oberseiten der Kondensatorwickel 21, 22, 23, 24 und 25 sind nebeneinander in Reihe auf derselben Ebene angeordnet, während die Unterseite der Kondensatorwickel 21, 22, 23, 24 und 25 auf anderen Ebene angeordnet sind.
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Die erste Stromschiene 30 weist die Kontaktierungsteile 31, 32, 33, 34 und 35 auf. Die erste Stromschiene 30 ist mittels des Kontaktierungsteils 31 (4) mit dem ersten, d.h. oberen, elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 21 elektrisch verbunden. Der Kontaktierungsteil 32 ist mit dem zweiten, d.h. unteren, elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 22 elektrisch verbunden. Die erste Stromschiene 30 ist mittels des Kontaktierungsteils 33 mit dem ersten elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 23 elektrisch verbunden. Der Kontaktierungsteil 34 (4) ist mit dem zweiten elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 24 elektrisch verbunden. Der Kontaktierungsteil 35 ist mit dem ersten elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 25 elektrisch verbunden.
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Um die Stromschienenführung zu verdeutlichen, zeigt 4 einschließlich die Stromschienen bzw. Kondensatoranschlüsse 30 und 40 des in 3 dargestellten Kondensators 20. Wie in 4 veranschaulicht, weist die zweite Stromschiene 40 die Kontaktierungsteile 41, 42, 43, 44 und 45 auf. Im Gegenteil zur ersten Stromschiene 30 ist die zweite Stromschiene 40 mittels des Kontaktierungsteils 41 mit dem zweiten, d.h. unteren, elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 21 elektrisch verbunden. Der Kontaktierungsteil 42 ist mit dem ersten, d.h. oberen, elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 22 elektrisch verbunden. Die zweite Stromschiene 40 ist mittels des Kontaktierungsteils 43 mit dem zweiten elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 23 elektrisch verbunden. Der Kontaktierungsteil 44 ist mit dem ersten elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 24 elektrisch verbunden. Der Kontaktierungsteil 45 ist mit dem zweiten elektrischen Anschluss des Kondensatorwickels 25 elektrisch verbunden.
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Außerdem weisen die Stromschienen 30 und 40 jeweils einen Anschluss 37 und einen Anschluss 47 auf. Die Anschlüsse 37 und 47 dienen dazu, den Kondensator 20 mit dem IGBT-Modul elektrisch zu verbinden.
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5 zeigt den schematischen Kondensator 20 mit den Kondensatorwickeln 21, 22, 23, 24 und 25 und dessen resultierende elektromagnetische Feld 29 vom Kondensator 20, wobei zwei benachbarte Kondensatorwickel immer eine entgegengesetzte Polarität besitzen. Die Länge bzw. Größe der Pfeile bezeichnen die Stärke des elektromagnetischen Feldes 29 an der jeweiligen Stelle. Im Gegensatz zum elektromagnetischen Feld 19 in 1 verdeutlicht die Darstellung in 5, dass das elektromagnetische Feld 29 bzw. die Pfeile außerhalb des Kondensators 20 relative kleiner und kürzer sind. Daher ist das gesamte elektromagnetische Feld 29 abgeschwächt. Gleichzeitig ist das elektromagnetische Feld 29 innerhalb des Kondensators 20 zwischen Kondensatorwickeln 21, 22, 23, 24 und 25 verstärkt.
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Vorteilhaft kann ein relativ geringes elektromagnetisches Feld außerhalb des Kondensators durch die entgegengesetzt polarisierten und nebeneinander angeordneten Kondensatorwickel realisiert werden. Die Schwächung des elektromagnetischen Feldes außerhalb des Kondensators führt zu eine verbesserte Leistung hinsichtlich Akustik und EMV.
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Der Kondensator 20 ist mit dem Folienkondensator implementierbar. Es ist möglich, die rechteckige Form des Kondensatorwickels beizubehalten. Durch Beibehaltung der rechteckigen Form des Kondensators ist es zudem problemlos möglich, die neuartigen Kondensatoren in den bestehenden Invertern einzusetzen, wodurch keine weiteren Umbaumaßnahmen anfallen.
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Außerdem ist eine parallele und nahe Führung von Plus- und Minusstromschienen 30 und 40 mit Überlappung auf der Stirnseite 36 des Kondensators 20 vorgesehen. Daher können Verschlaufungen neben einer Reduzierung der Eigeninduktivität beim Kondensator 20 vermieden werden.
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Des Weiteren kann das Bauteilmaterial ausgenutzt werden, um das Rohmaterial z.B. Kupfer der Stromschienen zu sparen. Daher kann die Herstellungskosten reduziert werden.
