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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Filterung einer Eingangsgleichspannung eines Wechselrichters. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer entsprechenden Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2018 218 449 A1 und der Dissertation von Hr. Jens Schmenger: „Ein Beitrag zu modularen und hochkompakten isolierenden Schnellladegeräten für Elektrofahrzeuge“ vom 27.07.2020 der Technischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Deutschland, ist bekannt, dass bei der Entwicklung elektrisch angetriebener Fahrzeuge, insbesondere bei der Gestaltung des Hochvolt-Bordnetzes, sowohl EMV-Anforderungen als auch Personenschutzzielen normkonform einzuhalten sind. Der Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges umfasst eine Hochvolt-Gleichspannungsquelle. Die Gleichspannung wird mittels eines Wechselrichters in eine mehrphasige Wechselspannung gewandelt. Die mehrphasige Wechselspannung versorgt eine elektrische Maschine, die das elektrische Fahrzeug antreibt. Aufgrund der zeitlichen Taktung des Gleichstroms der Gleichspannungsquelle mittels des Wechselrichters bei der Wandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung wird die Gleichspannung mit hochfrequenten Störungen beaufschlagt. Diese hochfrequenten Störungen auf den Leitungen wirken wie Sendeantennen und strahlen elektromagnetische Störungen an die Umgebung ab. Zur Reduktion dieser Störungen ist zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter ein EMV-Filter zur Minimierung der EMV-Emissionen angeordnet. Das EMV-Filter umfasst y-Kondensatoren. Beispielsweise aufgrund steigender Schaltgeschwindigkeiten und damit erhöhten EMV Emissionen besteht der Bedarf, größere y-Kondensatoren einzusetzen. Eine Vergrößerung der y-Kondensatoren läuft jedoch den Personenschutzzielen entgegen. Zur Einhaltung der Personenschutzziele sollen die y-Kondensatoren möglichst klein sein, damit bei einem Isolationsfehler einer spannungsführenden Leitung bei einer Berührung durch eine Person die Entladeströme aufgrund der y-Kondensatoren begrenzt sind. Diese Problematik ist insbesondere beim Ladebetrieb des Fahrzeugs verschärft, da dabei ein Ladegerät zwischen die Gleichspannungsquelle und den Wechselrichter angeschlossen wird, und die y-Kondensatoren des Ladegeräts ebenfalls bei einem Isolationsfehler einer spannungsführenden Leitung bei einer Berührung durch eine Person entladen würden und somit den Entladestrom vergrößern.
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Aktualisierungen in den entsprechenden Normungen, insbesondere bezüglich Hochvolt-Gleichspannungs-Ladeanforderungen, erfordern daher eine drastische Reduzierung der y-Kapazitäten. Bisher waren bei EMV-Filtern für elektrische Fahrzeuge mit einer Hochvolt-Gleichspannung von 800 Volt y-Kondensatoren mit einer Kapazität von ca. 100nF üblich. Bei üblichen EMV-Filtern, die neben den y-Kondensatoren auch Längsinduktivitäten umfassen, ist der Quotient der Gesamtkapazität der Kondensatoren zu der Gesamtinduktivität der Längsinduktivitäten bei Systemen mit einer Hochvolt-Gleichspannung von 400 Volt deutlich größer als 100, bei Systemen mit einer Hochvolt-Gleichspannung von 800 Volt beträgt er ungefähr 100.
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Aufgrund der Zunahme der an den Hochvolt-Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Verbraucher sind je Verbraucher für jeweilige EMV-Filter zukünftig y-Kondensatoren nur noch mit deutlich geringeren Kapazitäten möglich, beispielsweise maximal ca. 16,5 nF , insbesondere beim Hochvolt-Gleichspannungs-Ladebetrieb. Bei bisheriger Auslegung waren zur Gewährleistung einer ausreichenden Filterdämpfung im Fahrbetrieb Werte mit ca. 100n F zwingend notwendig. Ein beispielhafter Lösungsansatz hierzu ist, gezielt im Ladebetrieb y-Kondensatoren mittels geeigneter Schaltungen von dem EMV-Filter abzutrennen. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der
DE 10 2018 218 449 A1 bekannt. Aufgrund der Sicherheitslast muss diese Trennung allerdings mit entsprechender ASIL Integrität erfolgen.
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Überraschenderweise haben die Erfinder einen anderen Lösungsansatz entdeckt, mit dem das vorstehende Problem anderweitig gelöst wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein neuartiger Lösungsansatz ist die Erreichung der geforderten Filterdämpfung durch eine Erhöhung der Längsinduktivitäten des EMV-Filters bei gleichzeitig minimierten Kapazitäten der y-Kondensatoren. Daher wird eine Vorrichtung zur elektrischen Filterung einer Eingangsgleichspannung eines Wechselrichters bereitgestellt. Wobei der Wechselrichter die Eingangsgleichspannung einer anschließbaren Hochvoltbatterie in eine mehrphasige Ausgangswechselspannung wandelt für die Versorgung einer anschließbaren elektrischen Maschine. Die Vorrichtung zur Filterung umfasst einen zweipoligen Filtereingang zum Anschließen der Hochvoltbatterie und einen zweipoligen Filterausgang zum Anschließen des Wechselrichters. Ein erstes Potential des zweipoligen Filtereingangs ist über eine erste Induktivität mit einem ersten Potential des zweipoligen Filterausgangs elektrisch verbunden und ein zweites Potential des zweipoligen Filtereingangs ist über eine zweite Induktivität mit einem zweiten Potential des zweipoligen Filterausgangs elektrisch verbunden. Die Vorrichtung umfasst zur Filterung mindestens eine Kombination aus einem ersten y- Kondensator, der zwischen das erste Potential des Filtereingangs und ein Bezugspotential geschaltet ist, und einen zweiten y- Kondensator, der zwischen das zweite Potential des Filtereingangs und das Bezugspotential geschaltet ist, und die erste Induktivität, die in Reihe zwischen das erste Potential des Filtereingangs und das erste Potential des Filterausgangs geschaltet ist, und die zweite Induktivität, die in Reihe zwischen das zweite Potential des Filtereingangs und das zweite Potential des Filterausgangs geschaltet ist. Das Filter ist dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient der Gesamtkapazität der Kondensatoren der Vorrichtung zur Filterung zu der Gesamtinduktivität der Induktivitäten der Vorrichtung zur Filterung kleiner als 100 ist, insbesondere kleiner als 80, insbesondere kleiner als 50, insbesondere kleiner als 20.
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Somit wird eine Vorrichtung zur elektrischen Filterung einer Eingangsgleichspannung eines Wechselrichters bereitgestellt. Ein Wechselrichter dient der Wandlung einer Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung. Die Gleichspannung wird bevorzugt mittels einer Hochvoltbatterie bereitgestellt, die gleichspannungsseitig an einen Wechselrichter angeschlossen werden kann. Die mehrphasige Wechselspannung des Wechselrichters versorgt bevorzugt eine anschließbare elektrische Maschine. Die Vorrichtung ist somit bevorzugt ein EMV-Filter. Das EMV-Filter oder die Vorrichtung ist insbesondere der Gleichspannungsseite eines Wechselrichters zugeordnet oder mit in dessen Gehäuse integriert. Die Vorrichtung umfasst hierzu einen zweipoligen Filtereingang und einen zweipoligen Filterausgang. Die Vorrichtung erfüllt die Anforderungen der Personenschutzziele, nämlich die reduzierte Kapazität der y-Kondensatoren. Seitens der Erfinder wurde erkannt, dass bei Verwendung vergrößerter Induktivitäten eine Vorrichtung entsteht, die neben den Personenschutzzielen auch die die Anforderungen zur Dämpfung der elektromagnetischen Emissionen erfüllt. Charakteristisch für diese Vorrichtung ist daher ein kleiner Quotient der Gesamtkapazität der Kondensatoren der Vorrichtung zur Filterung zu der Gesamtinduktivität der Induktivitäten der Vorrichtung zur Filterung. Der Quotient ist kleiner als 100, bevorzugt kleiner als 50, bevorzugt kleiner als 20. Vorteilhaft wird somit eine Vorrichtung zur Filterung bereitgestellt, die sowohl die Personenschutzziele als auch die Anforderungen an die Dämpfung erfüllt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Induktivität und die zweite Induktivität als Ferritkern oder nanokristalliner Kern ausgeführt, der eine erste elektrische Leitung zwischen dem ersten Potential des Filtereingangs und dem ersten Potential des Filterausgangs umschließt und eine zweite elektrische Leitung zwischen dem zweiten Potential des Filtereingangs und dem ersten Potential des Filterausgangs umschließt. Bevorzugt sind die erste und zweite Induktivität über den gemeinsamen Kern magnetisch gekoppelt. Vorteilhaft wird eine einfach zu realisierende und zu montierende Variante für die Ausgestaltung der ersten und zweiten Induktivität bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die erste und zweite Induktivität als Gleichtaktdrossel, bevorzugt als stromkompensierte Gleichtaktdrossel, ausgeführt. Bevorzugt sind die erste und zweite Induktivität über einen gemeinsamen Kern magnetisch gekoppelt. Vorteilhaft wird eine geeignete Variante für die Ausgestaltung der ersten und zweiten Induktivität bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die erste und oder zweite Induktivität als Mehrwindungsdrossel ausgeführt. Dies ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Induktivität bei im Wesentlichen gleichem Platzbedarf innerhalb des Filters. Vorteilhaft wird eine platzsparende Modifikation der Induktivität bereitgestellt zur Erhöhung der Induktivität zur Erreichung des verringerten Quotienten.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Gesamtkapazität der y-Kondensatoren der Vorrichtung zur Filterung kleiner als 80 nF, bevorzugt kleiner als 30 nF, und oder die Gesamtinduktivität der Induktivitäten der Vorrichtung zur Filterung ist größer als 2 nH. Die Gesamtkapazität ermittelt sich bevorzugt mittels Addition der Kapazitätswerte der einzelnen y-Kondensatoren. Die Gesamtinduktivität ermittelt sich bevorzugt mittels Addition der Induktivitätswerte der einzelnen Längsinduktivitäten oder als Impedanz der verwendeten Gleichtaktdrossel. Vorteilhaft wird eine Grundlage zur Dimensionierung der Vorrichtung bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Eingangsgleichspannung der anschließbaren Hochvoltbatterie größer 700 Volt oder der Eingangsstrom aus der anschließbaren Hochvoltbatterie größer 100 Ampere. Folglich ist die Vorrichtung für eine Spannungslage größer 700 Volt eingerichtet oder die Vorrichtung für einen Strom größer 100 Ampere eingerichtet. Vorteilhaft werden sinnvolle Einsatzbereiche für die Vorrichtung bereitgestellt.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine, wobei der Antriebstrang mindestens eine beschriebene Vorrichtung umfasst. Ein Antriebstrang eines Fahrzeugs dient der Wandlung elektrischer Energie aus einer Energiequelle in mechanische Energie, die für den Vortrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird. Bei einem elektrischen Antriebsstrang wird beispielsweise die elektrische Energie aus einer Energiequelle mittels eines Wechselrichters in eine Wechselspannung umgewandelt, mit der eine elektrische Maschine betrieben wird. Bei der Wandlung der elektrischen Energie sind sowohl Personenschutzziele als auch EMV-Anforderungen zu erfüllen. Mittels der Integration der Vorrichtung in den Antriebsstrang wird vorteilhaft beides ermöglicht, indem die Eingangsgleichspannung effizient gefiltert wird.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem beschriebenen Antriebstrang. Vorteilhaft wird ein Fahrzeug bereitgestellt, bei dem die Eingangsgleichspannung eines Wechselrichters effizient gefiltert wird.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung entsprechend auf den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
- 1 eine erste schematische Darstellung eines Antriebstrangs mit einer Vorrichtung zur elektrischen Filterung einer Eingangsgleichspannung eines Wechselrichters,
- 2 eine zweite schematische Darstellung der Vorrichtung zur elektrischen Filterung,
- 3 eine dritte schematische Darstellung der Vorrichtung zur elektrischen Filterung,
- 4 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit der Vorrichtung zur elektrischen Filterung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Antriebsstrang 200 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges. Eine elektrische Maschine 230 wird mit einer mehrphasigen Wechselspannung mittels eines Wechselrichters 210 versorgt, für den bevorzugten Antrieb eines Fahrzeugs. Sowohl das Gehäuse der elektrischen Maschine als auch das Gehäuse des Wechselrichters sind mit einem Bezugspotential 130 verbunden. Das Bezugspotential ist bevorzugt ein Massepotential des Fahrzeugs und entspricht dem Potential der Fahrzeugstruktur oder des Gehäuses des Fahrzeugs. Eingangsseitig wird der Wechselrichter 210 bevorzugt von einer Hochvoltbatterie 220 mit einer Gleichspannung versorgt. Bevorzugt kann die Hochvoltbatterie 220 mittels eines Ladegerätes 240 mit einer Gleichspannung geladen werden. Hierzu wird auch das Ladegerät 240 bevorzugt mit der Hochvoltbatterie 220 verbunden. Zwischen die Anschlüsse der Hochvoltbatterie 220 und den Wechselrichter 210 ist bevorzugt eine Vorrichtung 100 zur elektrischen Filterung der Eingangsgleichspannung des Wechselrichters 210 geschaltet. Die Vorrichtung 100 zur Filterung umfasst hierzu einen zweipoligen Filtereingang 112, 114 zum Anschließen der Hochvoltbatterie 220 und einen zweipoligen Filterausgang 122, 124 zum Anschließen des Wechselrichters 210. Ein erstes Potential des zweipoligen Filtereingangs 112 ist über eine erste Induktivität 142 mit einem ersten Potential des zweipoligen Filterausgangs 122 elektrisch verbunden. Ein zweites Potential 114 des zweipoligen Filtereingangs ist über eine zweite Induktivität 144 mit einem zweiten Potential des zweipoligen Filterausgangs 124 elektrisch verbunden. Die Vorrichtung 100 zur Filterung umfasst mindestens eine Kombination aus einem ersten y- Kondensator 132, der zwischen das erste Potential des Filtereingangs 112 und das Bezugspotential 130 geschaltet ist, und einem zweiten y-Kondensator 134, der zwischen das zweite Potential des Filtereingangs 114 und das Bezugspotential 130 geschaltet ist, und der ersten Induktivität 142, die in Reihe zwischen das erste Potential des Filtereingangs 112 und das erste Potential des Filterausgangs 122 geschaltet ist, und der zweiten Induktivität 144, die in Reihe zwischen das zweite Potential des Filtereingangs 114 und das zweite Potential des Filterausgangs 124 geschaltet ist. Die Vorrichtung 100 ist in dieser schematischen Darstellung ausserhalb des Inverters 210 oder dessen Gehäuse dargestellt. Bevorzugt ist die Vorrichtung innerhalb des Gehäuses des Inverters 210 angeordnet.
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2 zeigt eine Darstellung der Vorrichtung 100. Weiter wird eine bevorzugte Variante für die Ausgestaltung der ersten und zweiten Induktivität 142, 144 dargestellt, bei der ein Ferritkern oder nanokristalliner Kern eine erste elektrische Leitung, zwischen dem ersten Potential des Filtereingangs 112 und dem ersten Potential des Filterausgangs 122, und eine zweite elektrische Leitung, zwischen dem zweiten Potential des Filtereingangs 114 und dem ersten Potential des Filterausgangs 124, umschließt. Die dargestellte Ausführungsform der Induktivitäten ist eine sogenannte Gleichtaktdrossel oder eine stromkompensierte Gleichtaktdrossel. Ferner sind neben den y- Kondensatoren 132, 134 weitere bevorzugte y- Kondensatoren 136, 138 dargestellt, die zwischen das erste Potential des Filterausgangs 122 und das Bezugspotential 130 geschaltet beziehungsweise zwischen das zweite Potential des Filterausgangs 124 und das Bezugspotential 130 geschaltet sind, so dass jeweils beidseits der Längsinduktivitäten 142, 144 innerhalb der Vorrichtung 100 y- Kondensatoren 132, 134, 136, 138, angeordnet sind. Weiter ist ein bevorzugter x- Kondensator 135 dargestellt, der zwischen das erste und das zweite Potential des Filterausgangs 122, 124 geschaltet ist.
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3 zeigt die Ausführungsform der Vorrichtung 100 der 2, wobei eine weitere bevorzugte Variante für die Ausgestaltung der ersten und zweiten Induktivität 142, 144 dargestellt wird. Die Gleichtaktdrossel ist jetzt als Mehrwindungsdrossel ausgeführt, da beide elektrische Leitungen mit mindestens einer Wicklung um den Kern herumgeführt werden. Dies ist eine besonders effiziente Möglichkeit zur Erhöhung der Induktivität der Induktivität.
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4 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 300 mit vier Rädern 302 und einem Antriebsstrang 200. Das Fahrzeug 300 ist hier nur beispielhaft mit vier Rädern 302 dargestellt, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der Beispielhaft dargestellte Antriebsstrang 200 umfasst mindestens eine elektrische Maschine 230 und einen Wechselrichter 210 mit einer Vorrichtung 100 zur elektrischen Filterung einer Eingangsgleichspannung eines Wechselrichters. Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang eine Hochvoltbatterie 220 zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018218449 A1 [0002, 0004]
