DE102015215746A1

DE102015215746A1 - Potentialfreies Gleichspannungsnetz

Info

Publication number: DE102015215746A1
Application number: DE102015215746.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Obholz; Elisabeth Schulze; Maxim Gewailer; Johann Heyen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2017-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein potentialfreies Gleichspannungsnetz (1), umfassend eine Gleichspannungsquelle (3), einen Wechselrichter (6) sowie mindestens eine an den elektrischen Wechselrichter (6) angeschlossene Elektromaschine (7), deren Wicklungen (14) in einer Sternschaltung verschalter sind, wobei die Gleichspannungsquelle (3) mit einer positiven Spannungsleitung (8) und einer negativen Spannungsleitung (9) mit dem Wechselrichter (6) verbunden ist, wobei zwischen dem Sternpunkt (15) und einem Masseanschluss (11) eine definierte Kapazität (C) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein potentialfreies Gleichspannungsnetz.
Ein Beispiel für ein potentialfreies Gleichspannungsnetz ist das Traktionsnetz in einem Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeug.
Ein Traktionsnetz in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ist beispielsweise aus der DE 10 2008 012 418 A1 bekannt. Das Traktionsnetz umfasst eine Traktionsbatterie (bzw. Hochvoltbatterie), einen Zwischenkreiskondensator, einen Wechselrichter sowie mindestens einen an den Wechselrichter angeschlossenen elektrischen Verbraucher. Der elektrische Verbraucher ist dabei beispielsweise eine Elektromaschine. Zwischen dem elektrischen Verbraucher und der Masse bildet sich dabei üblicherweise eine parasitäre Kopplung aus, da meist nicht alle Baugruppen des elektrischen Verbrauchers mit Masse verbunden werden können. Dies führt zur Abstrahlung von Störstrahlung, die EMV-Probleme bei Rundfunk-, Fernseh- oder Funkverbindungen verursacht. So erzeugen die Pulse des Wechselrichters beispielsweise Störungen, die vom Stator auf das Gehäuse oder den Rotor überkoppeln. Die auf das Gehäuse koppelnde Störung lässt sich im Allgemeinen durch Erden des Gehäuses einfach reduzieren, wohingegen die Massung des Rotors beispielsweise durch einen Schleifkontakt etwas aufwendiger ist. Dabei ist der Rotor häufig deshalb kritisch, da dieser mit der Antriebsachse (gegebenenfalls über ein Getriebe) verbunden ist. So wird über den Rotor die Störstrahlung auf die Antriebsachse übertragen. Damit kann es trotz Schirmung von Wechselrichter und Elektromaschine zur Abstrahlung von Störstrahlung kommen.
EMV-Probleme bei Wechselrichtern sind allgemein bekannt, wobei neben den bereits beschriebenen Maßnahmen allgemein versucht wird, durch entsprechende Dämpfungs- bzw. Filtermaßnahmen möglichst nah an der Störquelle die Störstrahlung zu reduzieren.
Aus der DE 198 50 853 A1 ist ein Frequenzumrichter mit einem eingangsseitigen Gleichrichter, einem ausgangsseitigen Wechselrichter und einem zwischen Gleichrichter und Wechselrichter geschalteten Gleichspannungszwischenkreis bekannt, wobei der Gleichspannungszwischenkreis wenigstens eine Drossel mit einem Magnetkern aus einem weichmagnetischen nanokristallinen Material umfasst. Die Drossel dient dazu, vor dem Wechselrichter erzeugte asymmetrische Störungen zu dämpfen und zu verhindern, dass diese in ein Netz eingespeist werden, das an den Gleichrichter angeschlossen ist. Dabei sind des Weiteren Ableitkapazitäten bzw. Ableitkondensatoren offenbart, die jeweils zwischen einer positiven Gleichspannungsleitung und Masse sowie einer negativen Gleichspannungsleitung und Masse angeordnet sind und ebenfalls asymmetrische Störungen nach Masse ableiten sollen.
Die Verwendung derartiger Ableitkapazitäten verbessert daher das Verhalten auf der Gleichspannungsseite. Allerdings kommt es aufgrund dieser Ableitkapazitäten zu einer Rückkopplung von der Wechselspannungsseite über die Masse zurück zur Gleichspannungsseite.
Aus der DE 10 2013 208 911 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur wenigstens teilweisen Unterdrückung von Störströmen aus einem mit seinen Eingangsanschlüssen an ein erstes elektrisches Netz angeschlossenen Störungserzeuger bekannt, wobei die Schaltungsanordnung eine mehrphasige Störungsunterdrückungseinrichtung mit einer Phasenwicklung für jede Phase aufweist, die magnetisch mit den anderen Phasenwicklungen gekoppelt sind. Die Phasenwicklungen sind einen gemeinsamen Kern umgreifend angeordnet. Die Störungsunterdrückungseinrichtung ist als Störungsunterdrückungstransformator ausgebildet, der wenigstens eine Störungsunterdrückungswicklung aufweist, die den gemeinsamen Kern der Phasenwicklungen umgreifend angeordnet ist, deren erster Wicklungsanschluss mit dem ersten elektrischen Netz und deren zweiter Wicklungsanschluss mit dem zweiten elektrischen Netz verbunden ist.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein potentialfreies Gleichspannungsnetz zu schaffen, bei dem die EMV-Probleme aufgrund der Störstrahlung reduziert werden.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein potentialfreies Gleichspannungsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das potentialfreie Gleichspannungsnetz umfasst eine Gleichspannungsquelle, einen Wechselrichter sowie mindestens eine an den elektrischen Wechselrichter angeschlossene Elektromaschine, deren Wicklungen in einer Sternschaltung verschaltet sind, wobei die Gleichspannungsquelle mit einer positiven Spannungsleitung und einer negativen Spannungsleitung mit dem Wechselrichter verbunden ist. Dabei ist zwischen dem Sternpunkt und einem Masseanschluss eine definierte Kapazität ausgebildet. Hierdurch lässt sich die Störstrahlungsleistung zwischen Rotor und Masse beeinflussen, sodass die Störstrahlungsleistung zwischen Rotor und Masse gezielt reduziert werden kann. Definierte Kapazität ist dabei im Sinne von reproduzierbar zu verstehen. Die Wirkungsweise der Kapazität ist dabei entweder die eines Stromteilers oder eines Koppelkondensators, was nachfolgend noch näher erläutert wird.
In einer Ausführungsform wird die Kapazität durch einen diskreten Kondensator gebildet, der innerhalb eines Gehäuses der Elektromaschine am Sternpunkt angeordnet ist oder außerhalb des Gehäuses der Elektromaschine angeordnet ist. Dieser diskrete Kondensator liegt ersatzschaltungstechnisch parallel zur Rotor-Masse-Kapazität. Wird nun die Kapazität des diskreten Kondensators ausreichend groß gewählt, so nimmt dieser einen Großteil des Stromes auf, sodass die Spannung am Rotor nicht so stark steigt. Die Anordnung außerhalb des Gehäuses kommt insbesondere bei Platzproblemen im Gehäuse zur Anwendung, wobei dann der Sternpunkt beispielsweise über eine Leitung aus dem Gehäuse geführt wird. Dabei ist die Wirkung des diskreten Kondensators breitbandig, d.h. unabhängig von der Frequenz der Störströme im Sternpunkt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kapazität Bestandteil eines ungedämpften oder gedämpften Reihen-Schwingkreises, mittels dessen gezielt durch Abstimmung des Schwingkreises bestimmte Frequenzen der Störstrahlung bedämpft werden können.
In einer weiteren Ausführungsform bildet sich die definierte Kapazität zwischen dem Sternpunkt und einer Gegenfläche auf einem Bezugspotential aus, wobei der Sternpunkt möglichst dicht an die Gegenfläche geführt wird, um eine möglichst große Kapazität auszubilden. Die Gegenfläche ist dabei beispielsweise das Gehäuse der Elektromaschine oder ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes Blech. Zur Erhöhung der Kapazität kann dabei zwischen Sternpunkt und Gegenfläche ein geeignetes Dielektrikum eingebracht werden. Auch wirkt die Kapazität als breitbandiger Stromteiler.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Kapazität und dem Masseanschluss eine aktive Schaltung angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass diese die Spannung an der Kapazität reduziert. Anschaulich beaufschlagt dabei die aktive Schaltung die Kapazität mit einer gegensinnigen Spannung zu der resultierenden Störspannung, sodass die Kapazität entladen wird und damit die Spannung gegen Null geht. Dies hat zur Folge, dass auch die Spannung zwischen Rotor und Masse gegen Null geht. Hier muss die Kapazität im Vergleich zur Rotor-Masse-Kapazität nicht sehr groß sein, da diese nicht als Stromteiler zur Reduzierung wirkt, sondern aufgrund der geringen Spannung diese auf die parallelgeschaltete Rotor-Masse-Kapazität spiegelt. Hier dient die Kapazität als Koppelkondensator.
In einer Ausführungsform wird dabei die Kapazität durch einen diskreten Kondensator gebildet. Die aktive Schaltung ist vorzugsweise als Verstärkerschaltung, beispielsweise als D-Verstärker, ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Gleichspannungsnetz als Hochvoltnetz eines Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeugs ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gleichspannungsnetzes in einer ersten Ausführungsform,
1a ein Teil-Ersatzschaltbild der Ausführungsform gemäß 1,
2 ein Teil-Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung eines Teils des Gleichspannungsnetzes in einer dritten Ausführungsform und
4 ein Teil-Ersatzschaltbild in einer vierten Ausführungsform.
In der 1 ist ein potentialfreies Gleichspannungsnetz 1 dargestellt, das beispielsweise als Hochvoltnetz 2 eines Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeugs ist. Das Gleichspannungsnetz 1 umfasst eine Gleichspannungsquelle 3 mit einem Pluspol 4 und einem Minuspol 5. Weiter umfasst das Gleichspannungsnetz 1 einen Wechselrichter 6 und eine Elektromaschine 7. Über eine positive Spannungsleitung 8 ist der Pluspol 4 mit dem Wechselrichter 6 verbunden. Über eine negative Spannungsleitung 9 ist der Minuspol 5 mit dem Wechselrichter 6 verbunden. Zwischen der positiven Spannungsleitung 8 und der negativen Spannungsleitung 9 ist mindestens ein Zwischenkreiskondensator 10 angeordnet. Des Weiteren ist zwischen der positiven Spannungsleitung 8 und Masse 11 ein erster Ableitkondensator C_Y und zwischen negativer Spannungsleitung 9 und Masse 11 ein zweiter Ableitkondensator C_Y angeordnet. Der Wechselrichter 6 weist drei Brückenzweige mit jeweils zwei Schaltelementen 12 auf, denen jeweils eine Freilaufdiode 13 zugeordnet ist. Der Wechselrichter 6 erzeugt drei phasenversetzte Spannungssignale, wobei jeweils ein Spannungssignal einer Wicklung 14 des Stators der Elektromaschine 7 zugeführt wird. Die drei Wicklungen 14 sind in einer Sternschaltung verschaltet und weisen einen gemeinsamen Sternpunkt 15 auf. Die Elektromaschine 7 weist darüber hinaus ein Gehäuse 16 auf, das mit Masse 11 verbunden ist, sowie einen nicht dargestellten Rotor, der beispielsweise über eine Welle mit einem ebenfalls nicht dargestellten Getriebe verbunden ist. Zwischen dem Sternpunkt 15 und Masse 11 ist ein diskreter Kondensator 17 angeordnet, dessen Wirkungsweise anhand des Ersatzschaltbildes gemäß 1a kurz erläutert werden soll.
Aus den Windungen 14 fließt ein Störstrom I_STÖR in den Sternpunkt 15. Dieser Störstrom I_STÖR teilt sich nun auf, nämlich auf den diskreten Kondensator 17 und die parallele parasitäre Kapazität C_R zwischen Rotor und Masse. Der Kondensator 17 wirkt also als Stromteiler, sodass die auf die parasitäre Kapazität C_R entfallende Störleistung reduziert wird. Anders ausgedrückt, durch die vergrößerte Kapazität aus der Parallelschaltung wird die Spannungsänderung reduziert. Durch entsprechende Dimensionierung der Kapazität des Kondensators 17 kann dann die entsprechende verbleibende Störleistung am Rotor eingestellt werden.
In der 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der der diskrete Kondensator 17 Bestandteil eines gedämpften Reihen-Schwingkreises 18 mit einer Induktivität 19 und einem ohmschen Widerstand 20 ist. Bei der Resonanzfrequenz schließt dann der Reihen-Schwingkreis 18 die Kapazität C_R kurz. Mittels dieser Anordnung kann somit mit einem bestimmten Frequenzbereich eine sehr große Störunterdrückung erreicht werden.
In der 3 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt. Dabei wird die Kapazität C zwischen Sternpunkt 15 und Masse 11 nicht durch einen diskreten Kondensator 17 gebildet, sondern durch die kapazitive Kopplung zwischen Sternpunkt 15 und dem Gehäuse 16 der Elektromaschine 7. Hierzu wird der Sternpunkt 15 geometrisch möglichst dicht an das Gehäuse 16 geführt. Zur Erhöhung der Kapazität C ist an der Innenseite des Gehäuses 16 ein dielektrisches Material 21 angeordnet. Ansonsten kann hinsichtlich der Wirkungsweise auf die Ausführungen zu 1 und 1a verwiesen werden.
In der 4 ist schließlich eine vierte Ausführungsform dargestellt. Dabei ist zusätzlich zu dem diskreten Kondensator 17 eine aktive Schaltung 22 vorgesehen, die beispielsweise als Verstärkerschaltung ausgebildet ist. Diese aktive Schaltung 22 erzeugt eine Spannung, sodass die resultierende Spannung im Zweig Null ist und somit auch die Spannung über der Kapazität C_R Null ist. Erzeugt beispielsweise der Teil des Störstromes I_STÖR, der in den Kondensator 17 fließt, eine Spannungsänderung ∆U, so erzeugt die aktive Schaltung 22 eine entgegengesetzte Spannung –∆U. Als Ergebnis wird keine Störleistung auf die Kapazität C_R des Rotors übertragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008012418 A1 [0003]
DE 19850853 A1 [0005]
DE 102013208911 A1 [0007]

Claims

Potentialfreies Gleichspannungsnetz (1), umfassend eine Gleichspannungsquelle (3), einen Wechselrichter (6) sowie mindestens eine an den elektrischen Wechselrichter (6) angeschlossene Elektromaschine (7), deren Wicklungen (14) in einer Sternschaltung verschalter sind, wobei die Gleichspannungsquelle (3) mit einer positiven Spannungsleitung (8) und einer negativen Spannungsleitung (9) mit dem Wechselrichter (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sternpunkt (15) und einem Masseanschluss (11) eine definierte Kapazität (C) ausgebildet ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (C) durch einen diskreten Kondensator (17) gebildet wird, der innerhalb eines Gehäuses (16) der Elektromaschine (7) am Sternpunkt (15) angeordnet ist oder außerhalb des Gehäuses (16) der Elektromaschine (7) angeordnet ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (C) Bestandteil eines ungedämpften oder gedämpften Reihen-Schwingkreis (18) ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die definierte Kapazität (C) zwischen dem Sternpunkt (15) und einer Gegenfläche auf einem Bezugspotential ausbildet.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche das Gehäuse (16) der Elektromaschine (7) oder ein innerhalb des Gehäuses (16) angeordnetes Blech ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kapazität (C) und dem Masseanschluss (11) eine aktive Schaltung (22) angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass diese die Spannung an der Kapazität (C) reduziert.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (C) durch einen diskreten Kondensator (17) gebildet wird.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schaltung (22) als Verstärkerschaltung ausgebildet ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichspannungsnetz als Hochvoltnetz (2) eines Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeugs ausgebildet ist.