DE102014222363B4 - Filter zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Komponenten eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Dämpfungseinrichtung (100; 200; 300; 400), die dazu ausgebildet ist, in einem Kabel (102; 202; 301; 402) mit einer Mehrzahl Adern Störsignale zu dämpfen, mit- einer Mehrzahl erster Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U1anliegt und der Stromvektor I1fließt, wobei an jeden ersten Anschluss eine Ader des Kabels (102; 202; 301; 402) angeschlossen ist;- einer Mehrzahl zweiter Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U2anliegt und der Stromvektor I2fließt, wobei an jeden zweiten Anschluss eine Ader des Kabels (102; 202; 301; 402) angeschlossen ist; und- einer ersten Mehrzahl Zweipole (Zkk), deren erster Anschluss an die Ader k und deren zweiter Anschluss an Masse (210, 218, 228, 230; 310, 312, 314, 316; 406, 408, 412) angeschlossen ist; wobei gilt:A¯¯=(A¯¯11A¯¯12A¯¯21A¯¯22),wobei gilt(U¯1I¯1)=(A¯¯11A¯¯12A¯¯21A¯¯22)⋅(U¯2I¯2);Y¯¯w=A¯¯21A¯¯12−1={ykm}k,m=1,n¯ ;A¯¯die Kettenmatrix des Kabels (102; 202; 301; 402) und,Y¯¯die Admittanzmatrix des Kabels (102; 202; 301; 402) ist und- wobei der Widerstand und die Reaktanz der Zweipole (Zkm) folgende Werte aufweisen:Zk,m={−1yk,m,k≠m,1∑i=1,n,k=m.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Dämpfungseinrichtung, die die elektromagnetische Verträglichkeit von Komponenten eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges verbessert.
• Elektrische Antriebe können in einem Fahrzeug mit einem hybriden Antrieb oder einem ausschließlich elektrisch angetriebenen Fahrzeug verwendet werden. Bei einem elektrischen Antrieb muss die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gewährleistet werden, damit keine anderen Komponenten innerhalb und außerhalb des Fahrzeuges gestört werden.
• Die im Stand der Technik bekannten Maßnahmen zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit für Hochspannungsnetzwerke im Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb sind nicht zufriedenstellend. Ein herkömmliches EMV-Filter dient in erster Linie zur Dämpfung von ausgesendeten Störsignalen eines aktiven elektrischen Gerätes, beispielsweise eines Wechselrichters, eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und dergleichen. D.h., die Funktion des Filters ist die Dämpfung einer Störquelle. In einem Kraftfahrzeug befinden sich neben einer gefilterten und gedämpften Leistungselektronik weitere Störquellen, die nicht immer die Anforderungen der Norm CE erfüllen. Somit können im Kraftfahrzeug Störungen vorhanden sein, obwohl die Leistungselektronik keine Emission erzeugt. Die Resonanzen in Verbindungsstrukturen, insbesondere in den Kabelbäumen, verstärken die Emission bei bestimmten Frequenzen. In einigen Konstellationen kann dieser Effekt eine wesentliche Auswirkung haben, da die Resonanzen in den Verbindungsstrukturen zur Abstrahlung eines Störsignales vom gesamten Kraftfahrzeug führen können.
• Herkömmliche EMV-Filter dämpfen keine bezüglich einer elektrischen Einrichtung externen Kabelbaumresonanzen.
• Die EP 0 274 347 A1 offenbart eine Serienschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators, die jeweils zwischen einer Leitung und der Masse geschaltet sind.
• Die DE 196 36 816 A1 offenbart eine Ferritdrossel und, dass Leitungen über eine Serienschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator mit Masse verbunden sind, um den Wellenwiderstand anzupassen.
• Die EP 1 126 573 A2 beschreibt eine Bedämpfungseinrichtung für ein elektrisches Kabel. Die Bedämpfungseinrichtung umfasst wenigstens eine Induktivität und wenigstens einen Widerstand. Die Entgegenhaltung 1 offenbart nicht die erfindungsgemäßen Werte für den Widerstand und die Reaktanz der Zweipole.
• Die DE 195 45 59 A1 offenbart ein elektromagnetisch entstörtes Kabel als Zuführung für ein elektronisches Gerät in einem Kraftfahrzeug. Um eine zuverlässige elektromagnetische Entstörung für elektronische Baugruppen oder Schaltungen anzugeben, weist das Kabel eine teilweise oder vollständige Ummantelung auf, welche Einlagerungen aus einem Absorbermaterial enthält, die elektromagnetische Störstrahlung absorbieren.
• Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine verbesserten Dämpfungseinrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Auslegen einer Dämpfungseinrichtung zu schaffen.
• Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 7 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen bevorzugte Ausführungsformen.
• Eine erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung ist dazu ausgebildet, in einem Kabel mit einer Mehrzahl von Adern Störsignale zu dämpfen und umfasst eine Mehrzahl erster Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U₁ anliegt und der Stromvektor I₁ fließt, wobei an jeden ersten Anschluss eine Ader des Kabelbaums angeschlossen ist, und eine Mehrzahl zweiter Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U₂ anliegt und der Stromvektor I₂ fließt, wobei an jeden zweiten Anschluss eine Ader des Kabelbaums angeschlossen ist. Die Dämpfungseinrichtung umfasst eine erste Mehrzahl Zweipole Z_kk, deren erster Anschluss an die Ader k und deren zweiter Anschluss an Masse angeschlossen ist und optional eine zweite Mehrzahl Zweipole Z_km, deren erster Anschluss an die Ader k und deren zweiter Anschluss an die Ader m angeschlossen ist.
• Es gilt: $$\overline{\overline{A}}=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right),$$

  

  wobei gilt $\left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_1\\ {\overline{I}}_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_2\\ {\overline{I}}_2\end{array}\right);$

  

  $${\overline{\overline{Y}}}_w=\sqrt{{\overline{\overline{A}}}_{21}{\overline{\overline{A}}}_{12}^{-1}}=\left\{y_{km}\right\}k,m=\overline{\mathrm{1,}n};$$

  

  
  ${\overline{\overline{Y}}}_w=\text{die Admitanzmatrix und;}$

  

  
  $\overline{\overline{A}}$

  

  die Kettenmatrix des Kabels ist.
• Der Widerstand und die Reaktanz der Zweipole Z_km, Z_kk weisen folgende Werte auf: $$Z_{k,m}=\{\begin{array}{c}-\frac{1}{y_{k,m}},k\ne m\\ \raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1,}n},k=m}$}\right.\end{array}$$

  
• Das Kabel kann ein Kabelbaum sein, beispielsweise ein Kabelbaum eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges. Die Dämpfungseinrichtung hat die Topologie einer Impedanzmatrix mit einer kapazitiver und einer induktiver Trennung im unteren Frequenzbereich, die zur Vermeidung einer Störung einer Funktion im unteren Frequenzbereich dient. Die komplette Schaltung der Dämpfungseinrichtung umfasst N!/(2 × (N -2)! modale Wellenimpedanzen, die zwischen vorzugsweise allen Kabeladern und allen Kabelschirmhüllen geschaltet sind, jedoch lässt sich ein großer Teil dieser Impedanzen reduzieren bzw. eliminieren, da nicht alle Resonanzmoden gedämpft werden müssen.
• Eine der Adern des Kabels kann ein erster Schirm sein, der zumindest eine andere Ader abschirmt. Der erste Schirm kann über einen Zweipol Z_kk an einer Masse angeschlossen sein und die Adern des Kabels können je über einen Zweipol Z_km an den ersten Schirm angeschlossen sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann der erste Schirm über einen Zweipol Z_kk an einen zweiten Schirm angeschlossen sein und die Adern des Kabels je über einen Zweipol Z_km an den ersten Schirm angeschlossen sein. Durch die Schirme und das Abschirmen einzelner Adern oder einer Mehrzahl von Adern mittels eines Schirms kann das elektromagnetische Verhalten des Kabels und der daran angeschlossenen elektrischen Einrichtungen verbessert werden. Die Dämpfungseinrichtung kann eine Induktivität aufweisen, die an eine Ader des Kabels angeschlossen ist. Insbesondere kann die Induktivität zur Ader in Serie geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Dämpfungseinrichtung ein als Induktivität wirkendes Bauteil, beispielsweise einen SMD-Ferrit oder einen CM-Kern, aufweisen, das um eine Mehrzahl von Adern des Kabels angeordnet ist. Alternativ hierzu oder zusätzlich umfasst die Dämpfungseinrichtung ein als Induktivität wirkendes Bauteil, das um alle Adern des Kabels außer dem zweiten Schirm angeordnet ist.
• Wenn die modalen Wellenimpedanzen größer oder vergleichbar mit Eingangsimpedanzen sind, können für die induktive Trennung SMD-Ferrite oder CM/DM-Ferritkerne verwendet werden. Dadurch wird erreicht, dass die parallel geschalteten Eingangsimpedanzen die Resonanzdämpfung nicht beeinflussen können. Die Auswahl einer bestimmten Trennungsmaßnahme hängt von den unterschiedlichen Filterarten und vom verwendeten EMV-Filterkonzept ab.
• Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb und der zuvor beschriebenen Dämpfungseinrichtung.
• Der erste Schirm kann eine Kabelbaummasse sein und der zweite Schirm kann ein Gehäuseschirm sein, der an der Karosserie angeschlossen ist.
• Bei einer anderen Ausführungsform können die Zweipole Z_kk an den ersten Schirm angeschlossen sein und jede Ader mittels einer zweiten Kapazität mit dem ersten Schirm gekoppelt sein, wobei in jede Ader eine Induktivität zwischen den Zweipol und der zweiten Kapazität geschaltet ist. Diese Art von Wellendämpfung ist insbesondere bei einem Niederspannungssignalkabelbaum vorteilhaft.
• Vorzugsweise weist im Vergleich zu den Wellenimpedanzen in dem Frequenzbereich, in dem die Kabelresonanzen stattfinden, die Induktivität einen hohen Widerstand und der Kondensator einen niedrigen Widerstand auf.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ermitteln des Widerstandes und der Reaktanz von Zweipolen (Z_km, Z_kk) einer Dämpfungseinrichtung für ein Kabel mit einer Mehrzahl von Adern, wobei die Dämpfungseinrichtung eine Mehrzahl erster Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U₁ anliegt und der Stromvektor I₁ fließt, wobei an jeden ersten Anschluss eine Ader des Kabelbaumes angeschlossen ist, eine Mehrzahl zweiter Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U₂ anliegt und der Stromvektor I₂ fließt, wobei an jeden zweiten Anschluss eine Ader des Kabelbaums angeschlossen ist, eine erste Mehrzahl Zweipole Z_kk, deren erster Anschluss an die Ader k und deren zweiter Anschluss an Masse angeschlossen ist, und eine optional zweite Mehrzahl Zweipole Z_km umfasst, deren erster Anschluss an die Ader k und deren zweiter Anschluss an die Ader m angeschlossen ist.
• Der Ausdruck Masse im Rahmen dieser Patentanmeldung umfasst auch eine lokale Masse, beispielsweise eine Gehäusemasse oder eine Schirmmasse oder eine Gehäuseschirmmasse.
• Das Verfahren umfasst den Schritt des Ermittelns der S-Parameter des Kabels mittels, einer Messung oder einer computerimplementierten Berechnung bzw. Simulation. Die S-Parameter können die Streuparameter umfassen. Aus den S-Parametern kann die Kettenmatrix A berechnet werden. Die S-Parameter können mittels eines handelsüblichen Netzwerkanalysators ermittelt werden. Die S-Parametermatrix lässt sich mittels dem Fachmann bekannter Formeln in eine Kettenmatrix A umwandeln. Es gilt: $$\overline{\overline{A}}=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right)$$

  

  und $$\left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_1\\ {\overline{I}}_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_2\\ {\overline{I}}_2\end{array}\right);$$

  
• Die Admittanzmatrix $\overline{\overline{Y}}$

  

  wird mittels folgender Gleichung bestimmt: $${\overline{\overline{Y}}}_w=\sqrt{{\overline{\overline{A}}}_{21}{\overline{\overline{A}}}_{12}^{-1}}=\left\{y_{km}\right\}k,m=\overline{\mathrm{1,}n};$$

  

  wobei ${\overline{\overline{A}}}_{21}$

  

  als Einheit eine Impedanz aufweist und ${\overline{\overline{A}}}_{21}$

  

  als Einheit die Admittanz aufweist, die je aus der Kettenmatrix entnommen werden, und ${\overline{\overline{Y}}}_w$

  

  eine modale Admittanzmatrix ist. Der Widerstand und die Reaktanz der Zweipole Z_km, Z_kk kann mittels folgender Gleichungen ermittelt werden: $$Z_{k,m}=\{\begin{array}{c}-\frac{1}{y_{k,m}},k\ne m\\ \raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1,}n},k=m}$}\right.\end{array}$$

  
• Die im Stand der Technik bekannten Ansätze zur Dämpfung von Gleichtaktresonanzen und Gegentaktresonanzen für Netzwerke bzw. Kabel, beruhen auf einer skalaren Formulierung der Wellenimpedanzen ohne Berücksichtigung von Zwischenwirkungen der Impedanzen aufgrund einer Parallelschaltung von Gleichtaktimpedanzen und Gegentaktimpedanzen. Die im Stand der Technik genutzten Schaltungen bilden keine vollständige Matrix ab und können nicht alle Resonanzmoden dämpfen. Der Erfinder hat erkannt, dass dieses Problem durch eine modale Formulierung der Wellenimpedanz gelöst werden kann, die als Netzwerk darstellbar ist.
• Die vom Erfinder vorgeschlagene Dämpfungseinrichtung kann die Resonanzen und die Moden eines Kabels bzw. eines Kabelbaumes berücksichtigen und stellt sicher, dass das Kabel bzw. der Kabelbaum weniger Störungen aussendet bzw. empfängt. Die Dämpfungseinrichtungen des Standes der Technik haben bisher lediglich die Eigenschaften einer elektrischen Einrichtung berücksichtigt, die gedämpft wurde, aber den Kabelbaum bzw. das Kabel nicht hinreichend berücksichtigt.
• Die Erfindung wird nun mittels beispielhafter und nicht beschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert, wobei:
• 1 einen Systemschaltplan zeigt;
• 2 eine allgemeine Struktur eines modalen Wellendämpfers zeigt;
• 3 einen Schnitt durch eine Hochspannungsgleichstromleitung zeigt;
• 4 eine schematische Draufsicht auf eine Hochspannungsgleichstromleitung zeigt;
• 5 einen Schaltplan einer Dämpfungseinrichtung für eine Hochspannungsgleichstromleitung zeigt;
• 6a ein erstes Diagramm mit Störspannungen zeigt;
• 6b ein zweites Diagramm mit Störspannungen zeigt;
• 7 einen schematischen Schnitt durch eine Hochspannungswechselstromleitung eines Fahrzeuges mit einem elektrischen Antrieb zeigt;
• 8 eine beispielhafte Verlegung eines Kabels in einem Fahrzeug zeigt;
• 9 einen Schaltplan einer Dämpfungseinrichtung für eine dreiadrige Hochspannungsleitung zeigt;
• 10 Störspannungen bei einer dreiadrigen Hochspannungsleitung zeigt; und
• 11 eine Dämpfungseinrichtung bei einem Niederspannungssignalkabelbaum zeigt.
• Es wird auf 1 Bezug genommen, die einen Systemschaltplan einer elektrischen Einrichtung im Hinblick auf die Dämpfung von Störsignalen zeigt. Die elektrische Einrichtung 1 umfasst ein EMV-Filter 2, das an Masse 8 und an N Adern eines Kabelbaumes 6 angeschlossen ist. Zwischen das EMV-Filter 2 und den Kabelbaum 6 ist eine erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung 4 angeschlossen. Das EMV-Filter 2 ist dazu ausgebildet, die elektrische Einrichtung 1 nach innen zu dämpfen. Bei der Auslegung des EMV-Filters 2 werden folglich- Eigenschaften der elektrischen Einrichtung 1 berücksichtigt. Die Dämpfungseinrichtung 4 ist dazu ausgebildet, die elektrische Einrichtung 1 nach außen zu dämpfen. Folglich werden Eigenschaften der Umgebung der elektrischen Einrichtung 1, beispielsweise das Kabelbaumes, bei der Auslegung der Dämpfungseinrichtung 4 berücksichtigt.
• 2 zeigt eine allgemeine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung 100. An die Dämpfungseinrichtung 100 ist ein Kabel 102 mit einer Mehrzahl Adern 1 bis N angeschlossen. Eine erste Mehrzahl Zweipole Z₁₁, Z₂₂ und Z_NN ist von je einer Ader zur Masse geschaltet. Eine zweite Mehrzahl Zweipole Z₁₂, Z_1N und Z_2N ist von Ader zu Ader geschaltet. In das Kabel 102 ist auch eine induktive Trennungseinrichtung 104 geschaltet, die beispielsweise SMD-Ferrite aufweisen kann. An die induktive Trennungseinrichtung 104 ist die eigentliche elektrische Einrichtung 110 angeschlossen. Die Werte der Zweipole Z_km und Z_kk werden berechnet, indem beispielsweise mittels eines Netzwerkanalysators die Streuparameter (S-Parameter) ermittelt werden. Die Streuparameter eines Kabels können auch mittels einer computergestützten Simulation ermittelt werden.
• Zur Berechnung der reellen und komplexen Widerstände der Zweipole Z wird eine Kettenmatrix (A-Parameter) verwendet: $$\overline{\overline{A}}=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right),$$

  

  wobei gilt $\left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_1\\ {\overline{I}}_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_2\\ {\overline{I}}_2\end{array}\right);$

  

  und $${\overline{\overline{Y}}}_w=\sqrt{{\overline{\overline{A}}}_{21}{\overline{\overline{A}}}_{12}^{-1}}=\left\{y_{km}\right\}k,m=\overline{\mathrm{1,}n}.$$

  
• Die Werte der Zweipole Z_km und der Zweipole Z_kk lassen sich wie folgt berechnen: $$Z_{k,m}=\{\begin{array}{c}-\frac{1}{y_{k,m}},k\ne m,\\ \raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1,}n},k=m.}$}\right.\end{array}$$

  
• Die S-Parameter werden wie zuvor erwähnt wurde, mittels eines Vektornetzwerkanalysators bestimmt. y_KM sind die Elemente der modalen Impedanzmatrix Y_w. Wie zuvor erwähnt wurde, weist die Matrix ${\overline{\overline{A}}}_{21}$

  

  die Impedanz als Einheit und die Matrix ${\overline{\overline{A}}}_{21}$

  

  die Admitanz als Einheit auf.Die Zweipole Z_km, Z_kk sind lediglich dann zu verwenden, falls die modalen Wellenimpedanzen kleiner oder im Bereich der Eingangsimpedanzen sind, beispielsweise bei einem IC-Eingang oder einen Kabelschirm gegen einen Kabelmantel. Wenn die modalen Wellenimpedanzen größer oder im Bereich der Eingangsimpedanzen liegen, muss eine induktive Trennung durch eine Induktivität, beispielsweise einen SMD-Ferrit oder einen Gleichtakt/Gegentakt-Ferritkern erfolgen. Dadurch wird erreicht, dass die parallel geschalteten Eingangsimpedanzen die Resonanzdämpfung nicht beeinflussen können.
• Es wird auf 3, 4 und 5 Bezug genommen, die eine Dämpfungseinrichtung 200 für eine Hochspannungsgleichstromleitung 202 zeigen, wobei 3 einen Querschnitt eines ersten Leitungselementes 204 und einer zweiten Leitungselementes 206 der Hochspannungsgleichstromleitung 202, 4 eine Draufsicht auf die Hochspannungsgleichstromleitung 202 zeigt und 5 die Dämpfungseinrichtung 200 zeigt.
• Die Dämpfungseinrichtung 200 für eine Hochspannungsgleichstromleitung 202 ist ein wichtiges Element der gesamten Filtertopologie, die Resonanzen in einem Trakitionsnetzwerk dämpft. Die Hochspannungsgleichstromleitung 202 umfasst zwei Leitungselemente 204, 206, mit je einer Ader 214, 224. Da die Schirmhüllen 208, 216 durch Stecker 226, 228 verbunden sind kann die Hochspannungsgleichstromleitung 202 als eine 3 × 3 Matrix von modalen Wellenimpedanzen beschrieben werden Im Falle einer Hochspännungsgleichstromleitung muss zum Ermitteln der Werte der Zweipole der Dämpfungseinrichtung 200 die Wellenimpedanzmatrix nicht voll belegt sein, weil eine niedrige differenzielle Impedanz eines Zwischenkreiskondensators auf der Seite der Leistungselektronik oder die Impedanz der Zellen eines Hochspannungsspeichers nur schwer zu vermeiden sind. Dennoch ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Ansatz alle drei Gleichtaktresonanzmoden (Gesamtsystemresonanzen) effizient zu dämpfen. Es versteht sich, dass diese Berechnung für jedes Kabelmodell und/oder für jede Art der Verlegung im Fahrzeug separat durchgeführt werden muss.
• Ein Stecker 226 ist an eine Leistungselektronikeinrichtung 260 angeschlossen. An den Stecker 226 ist eine erste Ader 214 und eine zweite Ader 224 angeschlossen, die über einen Ferritkern 232 und ein herkömmliches Hochspannungsfilter 240 an eine Batterie 250 angeschlossen sind. Die Hochspannungsgleichstromleitung 202 umfasst einen Umweltisolationsmantel 208, einen Einzelschirm 210, eine Isolation 212 und die Ader 214, beispielsweise mit einem Querschnitt von 35 mm². Der FerritKern 232 umgibt alle Leitungen und erzeugt Impedanzen von etwa 300 Ω bei einer Frequenz von etwa 10 MHz bis etwa 30 MHz.
• Die erste Ader 214 ist über einen Kondensator C₁₃ und einen in Serie geschalteten Widerstand R₁₃ an eine Kabelbaumschirmmasse 210, 218 angeschlossen. Die zweite Ader 224 ist über einen Kondensator C₂₃ und einen in Serie geschalteten Widerstand R₃₂ an die Kabelbaumschirmmasse 210, 218 angeschlossen. Die Kabelbaumschirmmasse ist über den Ferritkern 232 an das Hochspannungsfilter 240 angeschlossen.
• Die Kabelbaumschirmmasse 210, 218 ist auch an den Stecker 226 angeschlossen. Die Kabelbaumschirmmasse 210, 218 kann folglich wie eine Ader des Kabels 202 betrachtet werden. Die Kabelbaumschirmmasse 210, 218 ist über einen Kondensator C33 und einen Widerstand R33 an die Gehäuseschirmmasse 230 angeschlossen. Die Gehäuseschirmmasse 230 ist über die Gehäusemasse 228 an das Hochspannungsfilter 240 angeschlossen und über den Ferritkern 232 mit der Kabelbaumschirmmasse 210, 218 gekoppelt. Die Gehäuseschirmmasse ist über ein Kabel 236 mit der Karosserie 234 verbunden, die die eigentliche Masse des Fahrzeuges bildet.
• Die Streumatrix für die Leitung 202 ist wie folgt aufgebaut:

  -10,1560	-3,9032	-3,7713	-12,9042	-32,0056	-24,7212
  -3,9032	-10,1560	-3,7713	-32,0056	-12,9042	-24,7212
  -3,7713	-3,7713	-9,0316	-24,7212	-24,7212	-16,8940
  -12,9042	-32,0056	-24,7212	-10,1560	-3,9032	-3,7713
  -32,0056	-12,9042	-24,7212	-3,9032	-10,1560	-3,7713
  -24,7212	-24,7212	-16,8940	-3,7713	-3,7713	-9,0316
  					Einheit: dB

• Dadurch ergeben sich folgende Werte für die Widerstände und Kapazitäten:
• R₁₃ = R₂₃ = 7 Ω, R₃₃ = 122 Ω, C₁₃ = C₂₃ = C₃₃ = 10 nF, wobei die Admittanzmatrix folgende Werte aufweist:.

0,1532	0,0000	-0,1532
0,0000	0,1532	-0,1532
-0,1532	-0,1532	0,3142
		Einheit: S

• Es wird auf 6a und 6b Bezug genommen, wobei 6a Gegentaktstörspannungen und 6b Gleichtaktstörspannungen zeigt. Auf der Abszisse ist die Frequenz aufgetragen und in der Ordinate der Spannungspegel in dB. Die Kurve 264 zeigt das Gegentaktstörsignal ohne Filterung. Die Kurve 264 zeigt das Gegentaktstörsignal, wenn lediglich das herkömmliche Hochspannungsfilter 240 des Standes der Technik zum Dämpfen des Gegentaktstörsignals 262 verwendet wird. Die Kurve 266 zeigt das verbleibende Gegentaktstörsignal, wenn sowohl das herkömmliche Hochspannungsfilter 240 als auch die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung 200 verwendet werden.
• Die Kurve 268 zeigt den Pegel der Gleichtaktstörung ohne Dämpfung. Die Kurve 270 zeigt den Pegel der Gleichtaktstörung, wenn lediglich das herkömmliche Hochspannungsfilter 240 des Standes der Technik verwendet wird. Die Kurve 272 zeigt die verbleibende Gleichtaktstörung, wenn sowohl das herkömmliche Hochspannungsfilter 240 als auch die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Gleichtaktstörung verwendet werden.
• Diese beispielhaften Messungen wurden bei einer Leitung zwischen einer Batterie 250 und einem Wechselrichter (Inverter) 260 ermittelt. Die Gleichtaktstörungen und die Gegentaktstörungen haben mehrere Resonanzen durch Schaltungen im unteren Frequenzbereich sowie mehrere Gehäuseresonanzen und Kabelbaumresonanzen bei Frequenzen größer 20 MHz. Die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung 200 dämpft die Moden effektiv ohne das Resonanzverhalten des Kabels zu verändern. Die Gleichtaktstörung kann um bis zu 50 Dezibel verringert werden.
• Es wird auf 7, 8 und 9 Bezug genommen, die eine dreiadrige Hochspannungsleitung zeigen, wobei 7 einen Schnitt durch die dreiadrige Hochspannungsleitung 301 zeigt, 8 die Verlegung des dreiadrigen Kabels 301 zeigt und 9 eine Beschaltung der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung 300 zeigt. Die Hochspannungsleitung 301 umfasst drei Adern U, V, W, um die je eine Isolation 302 angeordnet ist. Die drei Leitungen U, V, W sind miteinander verdrillt und in einen Kunststoff 304 eingebettet. Um den Kunststoff ist ein Schirm 305 angeordnet. Es versteht sich, dass außerhalb des Kabelbaumsschirms 305 eine weitere Isolationsschicht vorgesehen sein kann. 8 zeigt eine exemplarische Verlegung der Hochspannungsleitung von einem Inverter 320 zu einer elektrischen Maschine 322.
• Die Hochspannungsleitung 301 von der elektrischen Maschine 322 ist an einen Stecker 306 angeschlossen. Die Ader U ist über eine Serienschaltung eines Kondensators C₁₄ und eines Widerstandes R₁₄ an eine Kabelbaumschirmmasse 310 angeschlossen, die über den Stecker 306 mit dem Kabelbaumsschirm 305 verbunden ist. Die Ader V ist über eine Serienschaltung aus einem Kondensator C₂₄ und einen Widerstand R₂₄ mit der Kabelbaumschirmmasse 310 verbunden. Die Ader W ist über einen Kondensator C₃₄ und einen Widerstand die R₃₄ mit der Kabelbaumschirmmasse 310 verbunden. Die Kabelbaumschirmmasse 310 bildet eine Ader. Die Adern U, V, W und der Kabelbaumschirm 310 werden durch einen Ferritkern 308 gedämpft. Die Kabelbaumschirmmasse 310 ist über eine Serienschaltung aus einem Kondensator C₄₄ und einem Widerstand R₄₄ mit dem Gehäuseschirm 314 verbunden. Der Gehäuseschirm ist über eine Gehäusemasse 312 und den Ferritkern 308 mit der Kabelbaumschirmmasse 310 verbunden. Die Gehäuseschirmmasse 314 ist über ein Kabel 318 an die Karosserie 316 angeschlossen, die die eigentliche Masse des Fahrzeuges bildet.
• Die Dämpfungseinrichtung 300 für eine Hochspannungswechselstromleitung ist auch eine wichtige Einrichtung der Gesamtfiltertopologie, die die Resonanzen in Leitungen zu einer elektrischen Maschine oder einem Hochspannungsstarter dämpft. Der Ansatz ist für alle dreiadrigen Kabeltypen geeignet. Die Hochspannungswechselstromleitung 301 umfasst drei Phasenleiter U, V, W und einen Kabelbaumschirm 305 als Sammelschirm. Die Hochspannungswechselstromleitung lässt sich mit einer 4 × 4 Matrix mit modalen Wellenimpedanzen beschreiben. Da der Schirmquerschnitt nicht konstant ist und das Hochspannungswechselstromkabel 301 auf komplexe Weise im Fahrzeug verlegt ist, ist eine derartige Leitung inhomogen, d.h. das Störverhalten kann nicht verallgemeinert werden. Dennoch kann mittels eines Netzwerkanalysators die Streumatrix ermitteln. Bei einer derartigen Hochspannungswechselstromleitung 301 ist vor allem die Gleichtaktstromdämpfung relevant. Folglich umfasst die Streumatrix lediglich vier auf die Gleichtaktstörung bezogene Wellenimpedanzen.
• Die Streumatrix S weist folgende Werte auf:

  -1,4331 101	-7,9633	-7,9641	-1,5401 101	-2,8268	-2,8111 101	-2,8110 101	-1, 7536 101
  -7,9633	-1,2335 101	-8,0873	-1,4407 101	-2,7142 101	-3,0207	-2,8185 101	-1,8109 101
  -7,9641	-8,0873	-1,2338 101	1,4408 101	-2,7146 101	-2,8190 101	-3,0201	-1,8108 101
  -1,5401 101	-1,4407 101	-1,4408 101	-2,8043	-2,6129101	-3,2101 101	-3,2089 101	-4,4930
  -2,8268	-2,8111 101	-2,8110101	-1,7536 101	-1,3525 101	-8,3955	-8,3964	-1,1819101
  -2,7142 101	-3,0207	-2,8185 101	-1,8109101	-8, 3955	-1,1748 101	-8, 5136	-1,1410101
  -2,7146 101	-2,8190 101	-3, 0201	-1,8108 101	-8, 3964	-8, 5136	-1,1750101	-1,1410101
  -2,6129 101	-3,2101 101	-3,2089 101	-4,4930	-1,1819 101	-1,1410 101	-1,1410101	-4,5351
  						Einheit: dB

• Bei der in 9 gezeigten Schaltung ergeben sich die folgenden Werte:
• R₁₄= 55 Ω, R₂₄ = 55 Ω, R₃₄ = 63 Ω, R₄₄ = 18 Ω, C₁₄ = C₂₄ = C₃₄ ist = 100 pF, C₄₄ = 10 nF; wobei die Wellenadmittanzmatrix folgende Werte aufweist:

3,8423 10-2	-1,5343 10-2	-1,5340 10-2	-6,0786 10-3
-1,5182 10-2	4,2597 10-2	-1,5676 10-2	-1,0918 10-2
-1,5179 10-2	-1,5675 10-2	4,2591 10-2	-1,0915 10-2
-9,6681 10-3	-1,3501 10-2	-1,3496 10-2	8,5735 10-2

• Die Wechselspannungfestigkeit ist ein kritisches Problem bei der Hochspannungswechselstromfilterung. Übliche Kondensatoren, die für eine elektromagnetische Verträglichkeit eingesetzt werden und eine Kapazität von mehr als 1 nF aufweisen, sind problematisch bei Spannungen von etwa 400 V und in einem Frequenzbereich von etwa 800 Hz bis etwa 1500 Hz, was typische Werte bei einem Fahrzeugwechselrichter 320 sind. Zudem sind derartige Kondensatoren mit einer Kapazität im pF Bereich nicht effektiv bei der Filterung. Da bei der vorliegenden Erfindung die Dämpfungswirkung hauptsächlich bzw. lediglich durch die Widerstände erreicht wird, können Kondensatoren mit einer niedrigen Kapazität ohne Reduzierung der Dämpfungswirkung verwendet werden.
• Es wird auf 10 Bezug genommen, die ein Diagramm von Störsignalen zeigt. Auf der Abszisse ist die Frequenz aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Pegel der Störspektrum in dBuV aufgetragen. Die *Kurve 350 zeigt das Eingangsstörspektrum an den Leistungstransistoren, die beispielsweise IGBT sein können. Die Kurve 352 zeigt die Störspannung auf dem Gehäuse der elektrischen Maschine 322 ohne Dämpfung. Die Leitungsresonanzen der Adern U, V, W sind deutlich zu erkennen. Problematisch ist insbesondere die Schirmleiterresonanz bei etwa 28 MHz, die eine höhere Längsimpedanz im Kabelschirm verursacht. Die Kurve 354 zeigt die Gleichtaktstörung, nachdem sie mittels der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung 300 gedämpft wurde.
• Die vorliegende Erfindung lässt sich auch auf eine Hochspannungsgleichstromleitung oder eine dreiphasige Hochspannungswechselstromleitung mit einer doppelten Schirmung anwenden. In diesem Fall bildet jeder Schirm eine Ader im Sinne der Berechnung mittels der Streuparameter und der Kettenmatrix. Ebenso lässt sich die Erfindung für eine Dämpfungseinrichtung für eine Hochspannungsgleichstromleitung mit einer Einzelschirmung von beiden Adern in einem Schirm anwenden. Es versteht sich, dass die Erfindung auch bei einer Dämpfungseinrichtung für eine Wechselstromladeeinrichtung angewendet werden kann.
• Es wird auf 11 Bezug genommen, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt. Mit der in 11 gezeigten Dämpfungseinrichtung 400 wird ein Niederspannungssignalkabel 420 bedämpft. Das Niederspannungssignalkabel kann ein Kabelbaum mit N Adern sein. An die erste Ader des Niederspannungssignalkabels ist eine Serienschaltung aus einem Kondensator C₁₁ und einem Widerstand R₁₁ angeschlossen, die auch an eine Gehäusemasse 406 angeschlossen ist. Zwischen die zweite Ader des Niederspannungssignalkabels und der Gehäusemasse 406 ist eine zweite Serienschaltung aus einem Kondensator C₂₂ und einen Widerstand R₂₂ angeschlossen. An die Ader N des Niederspannungssignalkabels 402 und an die Gehäusemasse 406 ist eine weitere Serienschaltung aus einem Kondensator C_NN und einem Widerstand R_NN angeschlossen.
• In jede Ader ist eine dämpfende Induktivität 404 geschaltet, die beispielsweise ein SMD-Ferrit sein kann. Der erste Eingang der Induktivität 404 in der ersten Ader des Niederspannungssignalkabels ist an den Kondensator C₁₁ angeschlossen und der zweite Anschluss dieser Induktivität 404 ist an einen Kondensator C_y1 angeschlossen, dessen anderer Anschluss an die Gehäusemasse 406 angeschlossen ist. Der erste Anschluss der Induktivität 404 in der zweiten Ader des Niederspannungssignalkabels 402 ist an einen Kondensator C₂₂ angeschlossen und der zweite Anschluss der Induktivität 404 ist an einen Kondensator C_y2 angeschlossen, dessen anderer Anschluss an die Gehäusemasse 406 angeschlossen ist. Der erste Anschluss der Induktivität 404 in der Ader N ist an einen Kondensator C_NN angeschlossen und der zweite Anschluss dieser Induktivität ist an einen Kondensator C_yN angeschlossen, dessen anderer Anschluss an der Gehäusemasse 406 angeschlossen ist. Die Gehäusemasse 406 ist an den Gehäuseschirm 408 angeschlossen, wobei der Gehäuseschirm 408 über ein Kabel an die Karosserie 412 angeschlossen ist, die die eigentliche Masse des Kraftfahrzeuges bildet.
• Diese Ausführungsform der Dämpfungseinrichtung 400 eignet sich für Fälle, bei denen die Resonanzen im Niederspannungssignalkabel 402 für das gesamte Fahrzeug kritisch sind. Die modalen Wellenimpedanzen des Niederspannungssignalkabels 402 gegen die Karosserie (R_kk, k = 1:N) eliminieren alle Gleichtaktresonanzen. Falls einige Gegehtaktresonanzen zwischen den Adernpaaren bekannt sind, lassen sich diese Gegentaktresonanzen durch zusätzliche modale Impedanzen eliminieren. Die Induktivitäten 404 zwischen der Wellendämpfungseinrichtung, die durch die Serienschaltung aus Kondensator Ckk und Widerstand R_kk gebildet werden und dem EMV-Filter, der durch die Kondensatoren Cy gebildet wird, dienen zur Hochfrequenzdämpfung.
• Die Erfindung schafft eine verbesserte Dämpfungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, da sie auch die Eigenschaften des Kabels bzw. des Kabelbaums berücksichtigt.

Claims (10)

1. Dämpfungseinrichtung (100; 200; 300; 400), die dazu ausgebildet ist, in einem Kabel (102; 202; 301; 402) mit einer Mehrzahl Adern Störsignale zu dämpfen, mit - einer Mehrzahl erster Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U₁ anliegt und der Stromvektor I₁ fließt, wobei an jeden ersten Anschluss eine Ader des Kabels (102; 202; 301; 402) angeschlossen ist; - einer Mehrzahl zweiter Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U₂ anliegt und der Stromvektor I₂ fließt, wobei an jeden zweiten Anschluss eine Ader des Kabels (102; 202; 301; 402) angeschlossen ist; und - einer ersten Mehrzahl Zweipole (Z_kk), deren erster Anschluss an die Ader k und deren zweiter Anschluss an Masse (210, 218, 228, 230; 310, 312, 314, 316; 406, 408, 412) angeschlossen ist; wobei gilt: $$\overline{\overline{A}}=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right),$$

   

   wobei gilt $\left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_1\\ {\overline{I}}_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_2\\ {\overline{I}}_2\end{array}\right);$

   

   $${\overline{\overline{Y}}}_w=\sqrt{{\overline{\overline{A}}}_{21}{\overline{\overline{A}}}_{12}^{-1}}=\left\{y_{km}\right\}k,m=\overline{\mathrm{1,}n};$$

   

   $\overline{\overline{A}}$

   

   die Kettenmatrix des Kabels (102; 202; 301; 402) und, $\overline{\overline{Y}}$

   

   die Admittanzmatrix des Kabels (102; 202; 301; 402) ist und - wobei der Widerstand und die Reaktanz der Zweipole (Z_km) folgende Werte aufweisen: $$Z_{k,m}=\{\begin{array}{c}-\frac{1}{y_{k,m}},k\ne m,\\ \raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1,}n},k=m.}$}\right.\end{array}$$

   
2. Dämpfungseinrichtung (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, einer zweiten Mehrzahl Zweipole (Z_km), deren erster Anschluss an die Ader k und deren zweiter Anschluss an die Ader m angeschlossen ist.
3. Dämpfungseinrichtung (200; 300; 400) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ader ein erster Schirm (210, 218; 310; 406) ist, der zumindest eine andere Ader abschirmt.
4. Dämpfungseinrichtung (200, 300) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Schirm (210, 218; 310; 406) über einen Zweipol (Z_kk) an eine Masse (230; 314; 408) angeschlossen ist und die Adern des Kabels (202; 301; 402) je über einen Zweipol (Z_km) an den ersten Schirm (210, 218; 310; 406) angeschlossen sind oder - der erste Schirm (210, 218; 310; 406) über einen Zweipol (Z_kk) an einen zweiten Schirm (230; 314; 408) angeschlossen ist und die Adern des Kabels je über einen Zweipol (Z_km) an den ersten Schirm (210, 218; 310; 406) angeschlossen sind.
5. Dämpfungseinrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweipol einen reellen Widerstand (R) und eine Kapazität (C) aufweist.
6. Dämpfungseinrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zumindest eines von Folgenden: - zumindest eine Induktivität (104; 232; 308; 404), die an eine Ader angeschlossen ist; - zumindest ein als Induktivität (104; 232; 308) wirkendes Bauteil, das um eine Mehrzahl von Adern des Kabels angeordnet ist; - zumindest ein als Induktivität (232; 308) wirkendes Bauteil, das um alle Adern des Kabels außer dem zweiten Schirm angeordnet ist.
7. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb und der Dämpfungseinrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schirm eine Kabelbaummasse (210, 218; 310; 406) ist und der zweite Schirm ein Gehäuseschirm ist, der an die Karosserie angeschlossen ist.
9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweipole (Z_kk) an den ersten Schirm (406) angeschlossen sind und jede Ader mittels einer zweiten Kapazität (C_y) mit dem ersten Schirm gekoppelt ist, wobei in jede Ader eine Induktivität (404) zwischen den Zweipol und der zweiten Kapazität (C_y) geschaltet ist.
10. Verfahren zum Ermitteln des Widerstandes und der Reaktanz von Zweipolen (Z_km, Z_kk) einer Dämpfungseinrichtung (100; 200; 300; 400) für ein Kabel (102; 202; 301; 402) mit einer Mehrzahl von Adern, wobei die Dämpfungseinrichtung (100; 200; 300; 400) Folgendes aufweist: - eine Mehrzahl erster Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U₁ anliegt und der Stromvektor I₁ fließt, wobei an jeden ersten Anschluss eine Ader des Kabels (102; 202; 301; 402) angeschlossen ist; - eine Mehrzahl zweiter Anschlüsse, an denen der Spannungsvektor U₂ anliegt und der Stromvektor I₂ fließt, wobei an jeden zweiten Anschluss eine Ader des Kabels (102; 202; 301; 402) angeschlossen ist; - eine erste Mehrzahl Zweipole (Z_kk), deren erster Anschluss an die Ader k und deren zweiter Anschluss an Masse (210, 218, 228, 230; 310, 312, 314, 316; 406, 408, 412) angeschlossen ist; - eine optionale zweite Mehrzahl Zweipole (Z_km), deren erster Anschluss an die Ader k und deren zweiter Anschluss an die Ader m angeschlossen ist; und wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: - Ermitteln der S-Parameter des Kabels - Ermitteln der Kettenmatrix $\overline{\overline{A}}$

    

    des Kabels aus den S-Parametern, wobei gilt: $$\overline{\overline{A}}=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right),$$

    

    und $$\left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_1\\ {\overline{I}}_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\overline{\overline{A}}}_{11}& {\overline{\overline{A}}}_{12}\\ {\overline{\overline{A}}}_{21}& {\overline{\overline{A}}}_{22}\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c}{\overline{U}}_2\\ {\overline{I}}_2\end{array}\right);$$

    

    - Ermitteln der Admittanzmatrix $\overline{\overline{Y}}$

    

    mittels folgender Gleichung: $${\overline{\overline{Y}}}_w=\sqrt{{\overline{\overline{A}}}_{21}{\overline{\overline{A}}}_{12}^{-1}}=\left\{y_{km}\right\}k,m=\overline{\mathrm{1,}n};$$

    

    und - Ermitteln des Widerstandes und der Reaktanz der Zweipole (Z_km, Z_kk) mittels folgender Gleichungen: $$Z_{k,m}=\{\begin{array}{c}-\frac{1}{y_{k,m}},k\ne m,\\ \raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1,}n},k=m.}$}\right.\end{array}$$

    

Images