DE102014209143A1 - Potentialfreies Gleichspannungsnetz - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein potentialfreies Gleichspannungsnetz, umfassend eine Gleichspannungsquelle, einen Wechselrichter (4) sowie mindestens einen an den Wechselrichter (4) angeschlossenen elektrischen Verbraucher (5), wobei zwischen dem elektrischen Verbraucher (5) und Masse sich mindestens eine parasitäre Kapazität ausbildet, wobei zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter (4) eine Gleichtaktinduktivität (12) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein potentialfreies Gleichspannungsnetz, insbesondere ein Hochvoltnetz in einem Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeug.
  • Ein Beispiel für ein potentialfreies Gleichspannungsnetz ist das Traktionsnetz in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
  • Ein Traktionsnetz in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ist beispielsweise aus der DE 10 2008 012 418 A1 bekannt. Das Traktionsnetz umfasst eine Traktionsbatterie (z. B. 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.
  • So ist beispielsweise aus der DE 197 14 977 A1 eine Vorrichtung mit Wechselrichter bekannt, die ein Leitungsstörsignal-Filter zwischen einer Spannungsquelle und dem Wechselrichter aufweist. Weiter weist die Vorrichtung einen Nullphasenfolge-Drosselwiderstand auf, der zwischen Wechselrichter und einer Last angeordnet ist. Der Nullphasenfolge-Drosselwiderstand weist einen Band-bewickelten Kern unter Verwendung eines Bandes aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung auf. Dabei dient das Leitungsstörsignal-Filter zur Unterdrückung von Störungen vom Wechselrichter in die Spannungsquelle (üblicherweise das öffentliche Netz) und der Nullphasenfolge-Drosselwiderstand zur Dämpfung der Störstrahlung am Ausgang des Wechselrichters.
  • 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, von dem Wechselrichter erzeugte asymmetrische Störungen zu dämpfen und zu verhindern, dass diese in ein Netz eingespeist werden, das an den Gleichrichter angeschlossen ist.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein potentialfreies Gleichspannungsnetz zu schaffen, das technisch einfach die Abstrahlung von Störstrahlung zwischen Wechselrichter und elektrischem Verbraucher reduziert.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein potentialfreies Gleichspannungsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst das potentialfreie Gleichspannungsnetz eine Gleichspannungsquelle, einen Wechselrichter sowie mindestens einen an den Wechselrichter angeschlossenen elektrischen Verbraucher, wobei zwischen dem elektrischen Verbraucher und Masse sich mindestens eine parasitäre Kapazität ausbildet, wobei zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter eine Gleichtaktinduktivität angeordnet ist. Die Grundidee der Erfindung ist dabei, die Störungen zwischen Wechselrichter und elektrischem Verbraucher durch Maßnahmen auf der Gleichspannungsseite zu dämpfen. Dabei wird ausgenutzt, dass die Gleichspannungsseite und die Wechselspannungsseite über die Masse störspannungstechnisch gekoppelt sind, sodass durch Maßnahmen auf der Gleichspannungsseite die Wechselspannungsseite beeinflussbar ist. Vorteilhafterweise sind die Maßnahmen auf der Gleichspannungsseite erheblich einfacher durchführbar. Beispielsweise müssen auf der Gleichspannungsseite nur zwei Leitungen durch einen Ferrit gezogen werden im Gegensatz zur Wechselspannungsseite, wo dies üblicherweise drei Leitungen sind. Die Gleichtaktinduktivität wird dabei derart dimensioniert, dass deren Impedanz im interessierenden Frequenzbereich größer als die Impedanz der resultierenden parasitären Kapazität zwischen Verbraucher und Masse ist. Die Gleichspannungsquelle kann dann dabei eine Batterie (genauer Akkumulator) oder ein Kondensator, insbesondere ein Doppelschichtkondensator, sein.
  • In einer Ausführungsform ist auf der Gleichspannungsseite ein Zwischenkreiskondensator angeordnet, was insbesondere bei motorischen Verbrauchern von Vorteil ist. Dabei liegt der Zwischenkreiskondensator vorzugsweise zwischen der Gleichtaktinduktivität und dem Wechselrichter. Durch die Anordnung der Gleichtaktinduktivität vor dem Zwischenkreiskondensator wird die Gleichtaktinduktivität nicht durch die Schaltströme in und aus dem Zwischenkreiskondensator belastet. Des Weiteren wird der Einfluss der Streuinduktivitäten der Gleichtaktinduktivität reduziert und eine Sättigung desselben durch die Schaltströme des Zwischenkreiskondensators vermieden.
  • Die Gleichtaktinduktivität kann dabei als Gleichtaktdrossel oder als Ferrithülse ausgebildet sein. Die Gleichtaktdrossel ist dabei vorzugsweise mit einem Ferrit-Kern oder mit einem Kern aus nanokristallinem Material ausgebildet, wie dies im zitierten Stand der Technik beschrieben ist. Beispielsweise bestehen die Nanokristalle aus einer Eisen-Silizium-Bor-Legierung mit Zusätzen von Niob und Kupfer.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der Wechselrichter als Eingangsbeschaltung mindestens zwei Kapazitäten auf, die von jeweils einer Hochspannungsleitung gegen Masse geschaltet sind. Hierdurch können Schirmungsmaßnahmen auf der Gleichspannungsseite reduziert werden bzw. im Extremfall auf diese verzichtet werden.
  • Vorzugsweise sind die Kapazitäten zwischen der Hochvoltbatterie und der Gleichspannungsinduktivität angeordnet. Dies ermöglicht eine optimale Entstörung der Verbraucher hinter dem Wechselrichter (da deren Störungen die große Impedanz der Gleichspannungsinduktivität sehen) sowie eine gute Entstörung auf der Gleichspannungsseite (da dort die Verbraucher die beiden Kapazitäten gegen Masse sehen).
  • Der elektrische Verbraucher ist vorzugsweise eine Elektromaschine, ein Klimakompressor oder mindestens ein Heizelement, vorzugsweise ein PTC-Heizelement. Prinzipiell sind aber auch andere elektrische Verbraucher möglich.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das potentialfreie Gleichspannungsnetz als Hochvoltnetz, insbesondere als Traktionsnetz in einem Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeug, ausgebildet. Dabei ist die Gleichspannungsquelle vorzugsweise als Hochvoltbatterie ausgebildet. Dabei wird unter Hochvoltnetz ein Netz mit einer Spannung größer 60 V verstanden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Hochvoltnetzes in einem Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeug,
  • 2 ein erstes Wechselspannungs-Ersatzschaltbild des Hochvoltnetzes,
  • 3 ein zweites vereinfachtes Wechselspannungs-Ersatzschaltbild und
  • 4 ein zweites schematisches Blockschaltbild eines Hochvoltnetzes in einem Kraftfahrzeug.
  • In der 1 ist ein Hochvoltnetz 1 in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Das Hochvoltnetz 1 umfasst eine Hochvoltbatterie 2, einen Zwischenkreiskondensator 3, einen Wechselrichter 4 sowie einen elektrischen Verbraucher 5, der als Elektromaschine 6 ausgebildet ist. Die Elektromaschine 6 weist ein Gehäuse 7, einen Stator 8 und einen Rotor 9 auf. Der Wechselrichter 4 weist drei Brückenschaltungen mit jeweils zwei Schaltelementen 10 und Freilaufdioden 11 auf, wobei die Schaltelemente 10 beispielsweise als IGBTs ausgebildet sind.
  • Zwischen der Hochvoltbatterie 2 und dem Zwischenkreiskondensator 3 ist eine Gleichtaktinduktivität 12 angeordnet, die im dargestellten Beispiel als Ferrithülse 13 ausgebildet ist. Zwischen der Hochvoltbatterie 2 und der Gleichtaktinduktivität 12 sind zwei Kondensatoren CY angeordnet, wobei der eine Kondensator CY zwischen einer Plusleitung 14 und Masse und der andere Kondensator CY zwischen einer Minusleitung 15 und Masse geschaltet ist. Des Weiteren sind in der 1 parasitäre Impedanzen Zpar dargestellt, über die das Hochvoltnetz 1 mit der Masse gekoppelt ist. Dabei ist anzumerken, dass diese parasitären Impedanzen Zpar nicht die störenden parasitären Kapazitäten zwischen Verbraucher und Masse sind. Das Hochvoltnetz 1 ist beispielsweise das Traktionsnetz eines Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeugs.
  • Der Wechselrichter 4 erzeugt für den motorischen Betrieb der Elektromaschine 6 ein 3-Phasenπ Signal durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente 10. Das sich für die Elektromaschine 6 als Nutzsignal darstellende 3-Phasen-Signal wirkt für in der Nähe befindliche elektrische Komponenten, wie beispielsweise ein Radioempfänger, als Störquelle. Deswegen sind Elektromaschine 6 und der Wechselrichter 4 geschirmt ausgebildet. Es bildet sich zum einen zwischen Phaseninnenleitung, Stator und Gehäuse, Leitungsschirm eine parasitäre kapazitive Kopplung aus. Der Rotor 9 mit Antriebsachse (gegebenenfalls über Getriebe) verbindet den geschirmten Bereich meist mit dem ungeschirmten Bereich (im Kraftfahrzeug z.B. die Räder). Insbesondere von der Achse und den Rädern kann es dann zu Problemen bei der Nahentstörung (Fahrzeug-Antennen) und Fernentstörung kommen.
  • In der 2 ist hierzu schematisch ein entsprechendes Wechselspannungs-Ersatzschaltbild dargestellt, wobei mit L die Gleichtaktinduktivität, mit CLtg die kapazitive Kopplung der Leitungen zur Elektromaschine 6, mit CSt-Gehäuse die kapazitive Kopplung von Stator 8 zum Gehäuse 7, mit CSt-Rt die kapazitive Kopplung zwischen Stator 8 und Rotor 9 und mit CRt-GND die kapazitive Kopplung zwischen Rotor 9 und Masse bezeichnet. Dabei stellt der Punkt 16 den Übergang zum ungeschirmten Bereich dar.
  • Dabei kann man die Schalter 10 des Wechselrichters 4 als Spannungsquelle Uquelle betrachten, wobei das Ziel ist, die Spannung am Punkt 16 zu minimieren.
  • Da CY im Allgemeinen relativ groß ist, ist die Impedanz entsprechend klein, sodass die Parallelschaltung von
    Figure DE102014209143A1_0002
    und
    Figure DE102014209143A1_0003
    im Verhältnis zu ωL vernachlässigbar ist. Unter der Annahme von CSt-Gehäuse > CLtg > CSt-Rt > CRT-GND kann das Ersatzschaltbild in das Ersatzbild gemäß 3 näherungsweise überführt werden. Dabei wirken die Impedanzen ωL und
    Figure DE102014209143A1_0004
    als Spannungsteiler, d.h. die Spannung Uungeschirmt ist umso kleiner, je größer ωL im Vergleich zu
    Figure DE102014209143A1_0005
    ist.
  • Entsprechend kann nun L dimensioniert werden, um eine gewünschte Dämpfung für einen Bereich von ω = 2π·f einzustellen.
  • Es versteht sich, dass sich grundsätzlich nichts an dem Vorgang der Dimensionierung ändert, wenn die anderen kapazitiven Kopplungen nicht vernachlässigbar sind. In dem Fall sind dann nur die Parallelschaltungen der Kapazitäten zu addieren bzw. der Spannungsteiler genauer am Punkt 16 zu bestimmen.
  • In der 4 ist ein alternatives Hochvoltnetz 1 dargestellt, wobei die elektrischen Verbraucher 5 als PTC-Heizelemente 17 ausgebildet sind. Die Gleichtaktinduktivität 12 ist als Drossel 20 ausgebildet, wobei zwei Spulen 21, 22 auf einem gemeinsamen Kern 23 aufgewickelt sind. Der Wechselrichter 4 besteht dabei beispielsweise nur aus drei Schaltern 10 mit Freilaufdioden 11, mittels derer wahlweise die PTC-Heizelemente 17 bestromt werden können. Im eigentlichen Sinn ist daher der Wechselrichter 4 in diesem Ausführungsbeispiel mehr ein Schaltelement denn ein Wechselrichter. Aufgrund der steilen Schaltpulse treten auch hier Störspannungen auf, die durch die Gleichtaktinduktivität 12 wirksam gedämpft werden, wobei hier die Störspannung an der Parallelschaltung der drei Streukapazitäten CStreu abfällt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008012418 A1 [0003]
    • DE 19714977 A1 [0005]
    • DE 19850853 A1 [0006]

Claims (9)

  1. Potentialfreies Gleichspannungsnetz, umfassend eine Gleichspannungsquelle, einen Wechselrichter (4) sowie mindestens einen an den Wechselrichter (4) angeschlossenen elektrischen Verbraucher (5), wobei zwischen dem elektrischen Verbraucher (5) und Masse sich mindestens eine parasitäre Kapazität ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter (4) eine Gleichtaktinduktivität (12) angeordnet ist.
  2. Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gleichtaktinduktivität (12) und dem Wechselrichter (4) ein Zwischenkreiskondensator (3) angeordnet ist.
  3. Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichtaktinduktivität (12) als Gleichtaktdrossel (20) oder Ferrithülse (13) ausgebildet ist.
  4. Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichtaktdrossel (20) mit einem Kern (23) ausgebildet ist, der aus Ferrit oder nanokristallinen Material besteht.
  5. Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (4) als Eingangsbeschaltung mindestens zwei Kapazitäten (CY) aufweist, die von jeweils einer Gleichspannungsleitung (14, 15) gegen Masse geschaltet sind.
  6. Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (CY) zwischen der Gleichspannungsquelle und der Gleichtaktungsinduktivität (12) angeordnet sind.
  7. Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (5) als Elektromaschine (6), Klimakompressor oder als mindestens ein Heizelement ausgebildet sind.
  8. Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das potentialfreie Gleichspannungsnetz als Hochvoltnetz (1) ausgebildet ist.
  9. Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle als Hochvoltbatterie (2) ausgebildet ist.
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