DE102014223615A1

DE102014223615A1 - Elektrischer Spannungswandler

Info

Publication number: DE102014223615A1
Application number: DE102014223615.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Obholz; Johann Heyen; Thomas Rinkleff
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler, umfassend einen Umrichter (3) und eine Elektromaschine (4), wobei die Elektromaschine (4) über N-Phasenleitungen (L1–L3) mit dem Umrichter (3) verbunden ist, wobei zwischen den Phasenleitungen (L1–L3) ein dielektrisches Material (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Spannungswandler, insbesondere einen elektrischen Antriebsstrang, eines Fahrzeugs.
Der elektrische Antriebsstrang eines Fahrzeugs besteht üblicherweise aus einem Umrichter, einer Elektromaschine und einem mechanischen Getriebe zur Kraftübertragung. Das Fahrzeug kann dabei als Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug, Plug-In-Hybridfahrzeug ausgebildet sein, wobei das Fahrzeug über eine Traktionsbatterie und/oder einen Brennstoffzellen-Stack verfügen kann. Dabei wird im motorischen Betrieb der Elektromaschine eine Gleichspannung durch den Umrichter in zueinander phasenversetzte Wechselspannungen umgesetzt. Umgekehrt werden im generatorischen Betrieb der Elektromaschine die phasenversetzten Wechselspannungen in eine Gleichspannung gewandelt. Üblicherweise werden dabei drei phasenversetzte Wechselspannungen für die Elektromaschine verwendet. Durch die gepulsten Spannungen des Umrichters entsteht an einem Sternpunkt der Elektromaschine ein Spannungspotential, das sich über eine Rotorwelle der Elektromaschine und durch das Getriebe bis hin zu den Abtriebswellen ausbreitet. Hierdurch entstehen hochfrequente Spannungen, die alle Lager belasten und elektrische Anregungen bewirken, die z.B. den Radioempfang beeinflussen können. Die für diesen Vorgang ausschlaggebende parasitäre Kapazität befindet sich zwischen den Wicklungen der Elektromaschine und dem Rotor. Die Größenordnung für die parasitäre Kapazität liegt dabei beispielsweise im Bereich von 100–500 pF. Ähnliche Probleme treten auf, wenn hohe Wechselspannungen in Gleichspannungen gewandelt werden, wie z.B. bei Windkraftanlagen.
Aus der DE 10 2013 201 470 A1 ist ein Fahrzeug mit einem N-phasigen Inverter und einer N-phasigen elektrischen Maschine bekannt, wobei jede Phase des Inverter einer bestimmten Phase der elektrischen Maschine zugeordnet und über einen Phasenleiter mit dieser elektrisch verbunden ist. Dabei ist den Phasenleitern ein elektrisch leitendes Leitersystem zugeordnet, wobei das Leitersystem von den Phasenleitern elektrisch isoliert angeordnet ist. Das Leitersystem ist dabei im Wesentlichen parallel zu den Phasenleitern angeordnet. Vorzugsweise weist das Leitersystem eine erste elektrische Anbindung und eine zweite elektrische Anbindung auf, wobei die erste elektrische Anbindung innerhalb eines Gehäuses des Inverters ausgeführt ist und die zweite elektrische Anbindung innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine ausgeführt ist, wobei die elektrischen Anbindungen mit Masse verbunden sind. Vorzugsweise ist das Leitersystem im Wesentlichen als elektrischer Flachleiter ausgeführt, wobei der Flachleiter eingliedrig oder N-gliedrig ausgeführt ist.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen elektrischen Spannungswandler zu schaffen, bei dem die elektromagnetische Entstörung verbessert ist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch einen elektrischen Antriebsstrang mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der elektrische Spannungswandler umfasst einen Umrichter und eine Elektromaschine, wobei die Elektromaschine über N-Phasenleitungen mit dem Umrichter verbunden ist. Dabei ist N üblicherweise gleich drei. Zwischen den Phasenleitungen ist dabei ein dielektrisches Material angeordnet. Dieses dielektrische Material vergrößert die parasitäre Kapazität zwischen Stator und Masse, sodass entsprechend eine geringere Störspannung über der parasitären Rotorkapazität abfällt (analog einem Spannungsteiler). Dabei füllt das dielektrische Material vorzugsweise den Zwischenraum zwischen zwei Phasenleitungen vollständig aus. Vorzugsweise ist der Spannungswandler dabei Bestandteil eines elektrischen Antriebsstranges eines Fahrzeugs.
In einer Ausführungsform ist das dielektrische Material als mit Nano-Partikeln gefülltes Harz ausgebildet. Hierdurch ist eine gute Verfüllung gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsform weist das dielektrische Material eine relative Permittivität auf, die vom Betrag größer 2 ist, um eine entsprechend große Änderung der Kapazität zu bewirken.
Dabei kann die relative Permittivität auch verlustbehaftet sein, d.h. diese kann als komplexe Größe dargestellt werden. Der Verlustanteil, d.h. also der Imaginäranteil, bewirkt dabei eine Verkleinerung der parasitären Rotorkapazität und damit der Störspannung, da aufgrund der Verluste die Kopplung zwischen Stator und Rotor reduziert wird.
In einer weiteren Ausführungsform weist das dielektrische Material leitfähige Partikel mit einer Verzugsrichtung auf. Diese anisotropen Partikel bewirken eine Parallelschaltung eines niederohmigen Widerstandes zur parasitären Kapazität des Stators, sodass auch die Störspannung kurzgeschlossen wird. Diese anisotropen leitfähigen Partikel werden dabei vorzugsweise in ein Harz eingebracht. Dabei kann vorgesehen sein, dass diese leitfähigen Partikel alleine im Harz sind und das Harzmaterial als Dielektrikum wirkt. Es ist aber auch möglich, zusätzliche Nano-Partikel zur Erhöhung der Permittivität in das Harz einzubringen.
In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich parallel zu den jeweiligen Phasenleitungen ein mit Masse verbundener Leiter angeordnet, der dabei auch an mehreren Stellen mit Masse verbunden sein kann. Dabei sind Phasenleitung und Leiter voneinander elektrisch isoliert. Der Leiter kann dabei als Litze oder als Flachbandleiter ausgebildet sein. Auch dies erhöht dabei die parasitäre Statorkapazität, sodass die Störspannung an der parasitären Rotorkapazität reduziert wird. Dabei kann durch Form und Struktur des Leiters die zusätzliche Kapazität eingestellt werden.
In einer alternativen Ausführungsform, die auch in Alleinstellung zur Lösung des technischen Problems beiträgt, wird der mit Masse verbundene Leiter um die jeweilige Phasenleitung spiral- oder mäanderförmig gewickelt. Hierdurch kann im Ergebnis eine größere Kapazität je Längeneinheit im Vergleich mit der parallelen Führung der Leiter erreicht werden. Dies kann dazu genutzt werden, um die Kapazität zu erhöhen oder bei gleichbleibender Kapazität (im Vergleich zur parallelen Führung) die Phasenleitungen nicht über die volle Länge zu umwickeln.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Antriebsstranges eines Fahrzeugs,
2 eine schematische Darstellung der parasitären Kapazität,
3 eine Darstellung eines dielektrischen Materials zwischen zwei Phasenleitungen,
4a eine Darstellung eines dielektrischen Materials mit leitfähigen Partikeln zwischen zwei Phasenleitungen ohne elektrisches Feld,
4b eine Darstellung des dielektrischen Materials gemäß 4a mit einem äußeren Feld,
5a eine Darstellung eines dielektrischen Materials zwischen den Phasenleitungen mit zusätzlichen Leitern,
5b eine schematische Darstellung einer beispielhaften Form eines zusätzlichen Leiters und
6 eine schematische Darstellung der Phasenleitungen mit spiralförmig umwickelten Leitern.
In der 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Antriebsstranges 1 eines Fahrzeugs dargestellt, umfassend eine Hochvolt-Batterie 2, einen Umrichter 3, eine Elektromaschine 4 und ein Getriebe 5. Das Getriebe 5 ist mit zwei Antriebswellen 6 verbunden, um die Räder 7 des Fahrzeugs anzutreiben. Zwischen der Hochvolt-Batterie 2 und dem Umrichter 3 sind ein Zwischenkreis-Kondensator C_ZK sowie zwei Filter-Kondensatoren C_X angeordnet, die jeweils zwischen einem Anschluss der Hochvolt-Batterie 2 und Masse geschaltet sind. Der Umrichter 3 umfasst eine nicht dargestellte Brückenschaltung, um die Gleichspannung in drei phasenversetzte Wechselspannungssignale oder umgekehrt zu wandeln. Über Phasenleitungen L1–L3 ist der Umrichter 3 mit den Wicklungen der Elektromaschine 4 verbunden. Ein Rotor 8 der Elektromaschine 4 ist mit dem Getriebe 5 verbunden. Aufgrund der hohen Taktfrequenzen der Brückenschaltung verbunden mit den hohen Spannungen kommt es zu erheblichen Störspannungen, wobei die hierfür ursächlichen kapazitiven Kopplungen in 2 dargestellt sind.
Dabei sind in 2 die drei Induktivitäten W1–W3 der Elektromaschine 4 dargestellt, die einen gemeinsamen Sternpunkt S aufweisen. Zwischen den Phasenleitungen L1–L3 bzw. Induktivitäten W1–W3 auf der Statorseite und Masse bildet sich jeweils eine parasitäre Kapazität C_WS1, C_WS2, C_WS3 aus, die zusammen die parasitäre Statorkapazität C_WS bilden. Zwischen Stator und Rotor 8 der Elektromaschine 4 (siehe 1) bildet sich die parasitäre Rotorkapazität C_WR aus, die mit den parasitären Kapazitäten C_AN an den Antriebswellen 6 verbunden ist, über die die Störspannungen U_STÖR abfallen. Zur Reduzierung der Störspannungen U_STÖR kann entweder C_WS erhöht und/oder C_WR erniedrigt werden. Ersteres bewirkt, dass weniger Störspannung auf die Rotorseite gekoppelt wird und letzteres bewirkt, dass von der Störspannung auf der Rotorseite weniger an den parasitären Kapazitäten C_AN abfällt.
In der 3 ist eine erste Ausführungsform dargestellt, bei der zwischen die Phasenleitungen L1 und L2 dielektrisches Material 10 mit Nano-Partikeln 11 eingebracht ist, wobei das dielektrische Material 10 beispielsweise als Harz ausgebildet ist. Entsprechend kann ein solches dielektrisches Material zwischen die Phasenleitungen L2 und L3 angeordnet werden. Das dielektrische Material führt zu einer Vergrößerung der parasitären Kapazität C_WS.
In der 4a ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der zusätzlich leitfähige Parikel 12 mit Vorzugsrichtung in das dielektrische Material 10, das vorzugsweise als Harz mit Nano-Partikeln ausgebildet ist, eingebracht sind, die bei einem äußeren Feld E sich ausrichten und so eine niederohmige Verbindung parallel zu den kapazitiven Kopplungen bilden (siehe 4b).
In der 5a ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, wobei zusätzlich zu dem dielektrischen Material 10 parallel zu den jeweiligen Phasenleitungen L1–L3 Leiter 13 angeordnet sind, die mit Masse verbunden sind. Auch hierdurch wird C_WS erhöht (siehe 2). Dabei kann durch die Form und Struktur der Leiter 13 die Kapazität eingestellt werden. In 5b ist ein Beispiel für einen Leiter 13 dargestellt, der teilzylinderförmig ausgebildet ist, wodurch die sich effektiv gegenüberliegende Fläche zwischen Leiter 13 und Phasenleitung L1–L3 vergrößert wird. Der Leiter 13 kann dabei auch Ausbrüche haben, die dann die Kopplung wieder reduzieren.
In 6 ist schließlich eine weitere Ausführungsform dargestellt, wobei um die jeweiligen Phasenleitungen L1–L3 jeweils ein mit Masse verbundener Leiter 14 spiralförmig gewickelt ist, um so eine möglichst hohe Flächenüberdeckung zwischen Leiter 14 und Phasenleitungen L1–L3 zu erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013201470 A1 [0003]

Claims

Elektrischer Spannungswandler, umfassend einen Umrichter (3) und eine Elektromaschine (4), wobei die Elektromaschine (4) über N-Phasenleitungen (L1–L3) mit dem Umrichter (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Phasenleitungen (L1–L3) ein dielektrisches Material (10) angeordnet ist.
Elektrischer Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material (10) als mit Nano-Partikeln (11) gefülltes Harz ausgebildet ist.
Elektrischer Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Permittivität E_r vom Betrag größer 2 ist.
Elektrischer Spannungswandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Permittivität verlustbehaftet ist.
Elektrischer Spannungswandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material leitfähige Partikel (12) mit einer Vorzugsrichtung aufweist.
Elektrischer Spannungswandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich parallel zu den jeweiligen Phasenleitungen (L1–L3) ein mit Masse verbundener Leiter (13) angeordnet ist.
Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich um die jeweilige Phasenleitung (L1–L3) spiral- oder mäanderförmig ein mit Masse verbundener Leiter (14) gewickelt ist.
Elektrischer Spannungswandler, umfassend einen Umrichter (3) und eine Elektromaschine (4), wobei die Elektromaschine (4) über N-Phasenleitungen (L1–L3) mit dem Umrichter (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass um die jeweilige Phasenleitung (L1–L3) spiral- oder mäanderförmig ein mit Masse verbundener Leiter (14) gewickelt ist.
Elektrischer Spannungswandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Spannungswandler Bestandteil eines elektrischen Antriebsstranges (1) eines Fahrzeuges ist.