DE102021214279A1 - Device for the electrical filtering of an input DC voltage of an inverter - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (100) zur elektrischen Filterung einer Eingangsgleichspannung eines Wechselrichters (210),
wobei die Vorrichtung (100) zur Filterung mindestens eine Kombination aus einem ersten y- Kondensator (132), der zwischen das erste Potential des Filter-eingangs (112) und ein Bezugspotential (130) geschaltet ist, und einem zweiten y-Kondensator (134), der zwischen das zweite Potential des Filtereingangs (114) und dem 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, umfasst,
wobei der Quotient der Gesamtkapazität von Kondensatoren (132, 134) der Vorrichtung (100) zur Filterung zu der Gesamtinduktivität (142, 144) der Induktivitäten der Vorrichtung (100) zur Filterung kleiner als 100 ist, insbesondere kleiner als 50, insbesondere kleiner als 20.
Device (100) for electrically filtering an input DC voltage of an inverter (210),
wherein the device (100) for filtering has at least one combination of a first y-capacitor (132), which is connected between the first potential of the filter input (112) and a reference potential (130), and a second y-capacitor (134 ), which is connected between the second potential of the filter input (114) and the reference potential (130), and the first inductance (142) which is connected in series between the first potential of the filter input (112) and the first potential of the filter output (122) is connected, and the second inductor (144), which is connected in series between the second potential of the filter input (114) and the second potential of the filter output (124), comprises,
wherein the quotient of the total capacitance of capacitors (132, 134) of the device (100) for filtering to the total inductance (142, 144) of the inductances of the device (100) for filtering is less than 100, in particular less than 50, in particular less than 20 .
Description
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.The invention relates to a device for electrically filtering an input DC voltage of an inverter. Furthermore, the invention relates to a drive train with a corresponding device and a vehicle with a drive train.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
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.Updates in the corresponding standards, especially with regard to high-voltage direct voltage charging requirements, therefore require a drastic reduction in the y-capacities. Up to now, y-capacitors with a capacity of approx. 100nF have been common in EMC filters for electric vehicles with a high-voltage direct current of 800 volts. With conventional EMC filters, which include series inductances in addition to the y-capacitors, the quotient of the total capacitance of the capacitors to the total inductance of the series inductances is significantly greater than 100 in systems with a high-voltage direct current of 400 volts, in systems with a high-voltage direct current from 800 volts it is about 100.
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
Überraschenderweise haben die Erfinder einen anderen Lösungsansatz entdeckt, mit dem das vorstehende Problem anderweitig gelöst wird.Surprisingly, the inventors have discovered another approach that solves the above problem in a different way.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
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.A new approach is to achieve the required filter damping by increasing the series inductance of the EMC filter while at the same time minimizing the capacitance of the y-capacitors. A device for electrically filtering an input DC voltage of an inverter is therefore provided. The inverter converts the input DC voltage of a connectable high-voltage battery into a multi-phase output AC voltage for supplying a connectable electrical machine. The filtering device includes a two-pole filter input for connecting the high-voltage battery and a two-pole filter output for connecting the inverter. A first potential of the two-pole filter input is electrically connected via a first inductor to a first potential of the two-pole filter output and a second potential of the two-pole filter input is connected to a second potential of the two-pole filter output via a second inductor electrically connected. For filtering, the device comprises at least one combination of a first y-capacitor, which is connected between the first potential of the filter input and a reference potential, and a second y-capacitor, which is connected between the second potential of the filter input and the reference potential, and the first inductance connected in series between the first potential of the filter input and the first potential of the filter output, and the second inductance connected in series between the second potential of the filter input and the second potential of the filter output. The filter is characterized in that the quotient of the total capacitance of the capacitors of the filtering device to the total inductance of the inductances of the filtering device is less than 100, in particular less than 80, in particular less than 50, in particular less than 20.
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.A device for electrically filtering an input DC voltage of an inverter is thus provided. An inverter is used to convert a DC voltage into a multi-phase AC voltage. The DC voltage is preferably provided by means of a high-voltage battery, which can be connected to an inverter on the DC voltage side. The multi-phase AC voltage of the inverter preferably supplies a connectable electrical machine. The device is thus preferably an EMC filter. The EMC filter or the device is assigned in particular to the DC voltage side of an inverter or is integrated into its housing. For this purpose, the device comprises a two-pole filter input and a two-pole filter output. The device meets the requirements of personal protection goals, namely the reduced capacitance of the y-capacitors. The inventors recognized that the use of increased inductivities results in a device which, in addition to personal protection goals, also meets the requirements for damping electromagnetic emissions. A small quotient of the total capacitance of the capacitors of the filtering device to the total inductance of the inductances of the filtering device is therefore characteristic of this device. The quotient is less than 100, preferably less than 50, preferably less than 20. A device for filtering is thus advantageously provided which meets both the personal protection goals and the damping requirements.
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.In another embodiment of the invention, the first inductor and the second inductor are designed as a ferrite core or nanocrystalline core, which encloses a first electrical line between the first potential of the filter input and the first potential of the filter output and a second electrical line between the second potential of the filter input and the first potential of the filter output. The first and second inductors are preferably magnetically coupled via the common core. A variant for the design of the first and second inductor that is easy to implement and assemble is advantageously provided.
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.In another embodiment of the invention, the first and second inductor is designed as a common-mode choke, preferably as a current-compensated common-mode choke. The first and second inductors are preferably magnetically coupled via a common core. A suitable variant for the configuration of the first and second inductor is advantageously provided.
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.In another embodiment of the invention, the first and/or second inductance is designed as a multi-turn choke. This allows for a significant increase in inductance with essentially the same space requirement within the filter. A space-saving modification of the inductance is advantageously provided in order to increase the inductance in order to achieve the reduced quotient.
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.In another embodiment of the invention, the total capacitance of the y-capacitors of the filtering device is less than 80 nF, preferably less than 30 nF, and/or the total inductance of the inductances of the filtering device is greater than 2 nH. The total capacitance is preferably determined by adding the capacitance values of the individual y-capacitors. The total inductance is preferably determined by adding the inductance values of the individual series inductances or as the impedance of the common-mode choke used. A basis for dimensioning the device is advantageously provided.
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.In another embodiment of the invention, the input DC voltage of the connectable high-voltage battery is greater than 700 volts or the input current from the connectable high-voltage battery is greater than 100 amperes. Consequently, the device is set up for a voltage level greater than 700 volts or the device is set up for a current greater than 100 amperes. Useful areas of application for the device are advantageously provided.
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.Furthermore, the invention relates to a drive train of a vehicle with an inverter and an electric machine, the drive train comprising at least one device described. A drive train of a vehicle is used to convert electrical energy from an energy source into mechanical energy, which is necessary for the vehicle drive of the vehicle is used. In an electric drive train, for example, the electric energy from an energy source is converted into an AC voltage by means of an inverter, with which an electric machine is operated. When converting electrical energy, both personal protection goals and EMC requirements must be met. By means of the integration of the device into the drive train, both are advantageously made possible by efficiently filtering the input DC voltage.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem beschriebenen Antriebstrang. Vorteilhaft wird ein Fahrzeug bereitgestellt, bei dem die Eingangsgleichspannung eines Wechselrichters effizient gefiltert wird.Furthermore, the invention relates to a vehicle with a described drive train. A vehicle is advantageously provided in which the input DC voltage of an inverter is efficiently filtered.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung entsprechend auf den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.It is understood that the features, properties and advantages of the device apply respectively to the power train and the vehicle and vice versa.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention result from the following description with reference to the attached drawings.
Figurenlistecharacter list
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.
-
1 a first schematic representation of a drive train with a device for electrically filtering an input DC voltage of an inverter, -
2 a second schematic representation of the device for electrical filtering, -
3 a third schematic representation of the device for electrical filtering, -
4 a vehicle shown schematically with a power train with the device for electrical filtering.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die
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