DE102015205459A1

DE102015205459A1 - Potentialfreies Gleichspannungsnetz

Info

Publication number: DE102015205459A1
Application number: DE102015205459.4A
Authority: DE
Inventors: Maxim Gewailer; Martin Obholz; Johann Heyen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: CN106026073A; DE102015205459B4

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 die Gleichspannungsquelle mit einer positiven Spannungsleitung (14) und einer negativen Spannungsleitung (15) mit dem Wechselrichter (4) verbunden ist, wobei zwischen der positiven Spannungsleitung (14) und einer Masse eine erste Ableitkapazität (CY) und zwischen der negativen Spannungsleitung (15) und einer Masse eine zweite Ableitkapazität (CY) angeordnet sind, wobei die Ableitkapazitäten (CY) jeweils eine Zusatzbeschaltung aufweisen, die mindestens bei einer Frequenz einen Stromfluss in mindestens eine Richtung von der Masse zu der jeweiligen Spannungsleitung (14, 15) verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft ein potentialfreies Gleichspannungsnetz.
Ein Beispiel für ein potentialfreies Gleichspannungsnetz ist das Traktionsnetz in einem Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeug.
Ein Traktionsnetz in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ist beispielsweise aus der DE 10 2008 012 418 A1 bekannt. Das Traktionsnetz umfasst eine Traktionsbatterie (bzw. 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.
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, vor dem Wechselrichter erzeugte asymmetrische Störungen zu dämpfen und zu verhindern, dass diese in ein Netz eingespeist werden, das an den Gleichrichter angeschlossen ist. Dabei sind des Weiteren Ableitkapazitäten bzw. Ableitkondensatoren offenbart, die jeweils zwischen einer positiven Gleichspannungsleitung und Masse sowie einer negativen Gleichspannungsleitung und Masse angeordnet sind und ebenfalls asymmetrische Störungen nach Masse ableiten sollen.
Die Verwendung derartiger Ableitkapazitäten verbessert daher das Verhalten auf der Gleichspannungsseite. Allerdings kommt es aufgrund dieser Ableitkapazitäten zu einer Rückkopplung von der Wechselspannungsseite über die Masse zurück zur Gleichspannungsseite.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein potentialfreies Gleichspannungsnetz zu schaffen, bei dem die EMV-Probleme aufgrund der Störstrahlung reduziert werden.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein potentialfreies Gleichspannungsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst das potentialfreie Gleichspannungsnetz eine Gleichspannungsquelle, einen Wechselrichter sowie mindestens einen an dem Wechselrichter angeschlossenen elektrischen Verbraucher. Dabei ist die Gleichspannungsquelle mit einer positiven Spannungsleitung und einer negativen Spannungsleitung mit dem Wechselrichter verbunden. Zwischen der positiven Spannungsleitung und einer Masse ist eine erste Ableitkapazität und zwischen der negativen Spannungsleitung und einer Masse ist eine zweite Ableitkapazität angeordnet. Die Ableitkapazitäten werden dabei typischerweise durch Kondensatoren gebildet. Dabei weisen die Ableitkapazitäten jeweils eine Zusatzbeschaltung auf, die mindestens bei einer Frequenz einen Stromfluss in mindestens eine Richtung von der Masse zu der jeweiligen Spannungsleitung verhindert. Hierdurch wird erreicht, dass die Störstrahlung in einem Frequenzbereich minimiert werden kann, da durch die Verhinderung des Stromflusses eine Entkopplung zwischen der Wechselspannungsseite zur Gleichspannungsseite erreicht wird. Dabei sind vorzugsweise die beiden Zusatzbeschaltungen gleichartig ausgebildet, sodass die Entkopplung symmetrisch zu beiden Spannungsleitungen ist.
Die Zusatzbeschaltung kann dabei sehr unterschiedlich ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform ist parallel zu der Ableitkapazität ein ohmscher Widerstand geschaltet und in Serie zu dieser Parallelschaltung mindestens eine Diode angeordnet. Dabei ist vorzugsweise die Kathode der Diode mit der Masse verbunden. Dies verhindert einen Stromfluss von der Masse in Richtung der Spannungsleitungen über alle Frequenzen. Der ohmsche Widerstand realisiert dabei eine Freilaufstrecke für die Ableitkapazität, sodass diese bei gesperrtem Stromfluss entladen werden kann. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass diese sehr einfach und kompakt im Aufbau ist, da sich Dioden sehr gut schaltungstechnisch integrieren lassen. Aufgrund der Diode und auch des ohmschen Widerstandes ist jedoch bei niedrigeren Frequenzen die Ableitung von Störungen nach Masse etwas schlechter im Vergleich zu einer alleinigen Ableitkapazität. Allerdings liegt diese Zunahme der Störung in einem Frequenzbereich, der hinsichtlich der EMV-Probleme unkritisch ist. Wegen der Stromtragfähigkeit können mehrere Dioden parallel geschaltet werden und/oder wegen der Spannungsabfälle mehrere Dioden in Reihe geschaltet sein.
In einer alternativen Ausführungsform wird parallel zu der Abschaltkapazität eine Induktivität und ein ohmscher Widerstand geschaltet, die zusammen einen Parallel-Schwingkreis bilden. Bei der Resonanzfrequenz verhindert dabei der Parallel-Schwingkreis einen Stromfluss, sodass ein besonders störendes Frequenzband herausgefiltert werden kann. Nachteilig ist die relativ große Induktivität, um den Schwingkreis auf den gewünschten Frequenzbereich im kHz-Bereich bzw. MHz-Bereich abzustimmen.
Alternativ wird nicht die Abschaltkapazität selbst in den Parallel-Schwingkreis integriert, sondern ein separater Parallel-Schwingkreis wird in Reihe zur Abschaltkapazität geschaltet. Dies vereinfacht die Abstimmung des Schwingkreises, führt jedoch zu einer Erhöhung der Bauteile. Zusätzlich wird in einer Ausführungsform dann wieder parallel zu der Ableitkapazität ein ohmscher Widerstand für eine Freilaufstrecke angeordnet.
In einer Ausführungsform ist das Gleichspannungsnetz als Hochvoltnetz in einem Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet. Insbesondere bei den sehr hohen Spannungen ist die EMV-Störleistung sehr hoch, sodass sich die erfindungsgemäße Reduzierung besonders vorteilhaft auswirkt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der elektrische Verbraucher als Elektromaschine ausgebildet, wobei vorzugsweise diese einen nicht geerdeten Rotor aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der positiven Leitung und der negativen Leitung mindestens ein Zwischenkreiskondensator angeordnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Hochvoltnetzes in einem Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeug ohne Zusatzbeschaltung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Zusatzbeschaltung einer Ableitkapazität,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Zusatzbeschaltung einer Ableitkapazität,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Zusatzbeschaltung einer Ableitkapazität und
5 ein Frequenzspektrum einer Störstrahlung ohne und mit Zusatzbeschaltung gemäß 2.
In der 1 ist ein Hochvoltnetz 1 in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Das Hochvoltnetz 1 umfasst eine Hochvoltbatterie 2, mindestens 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 der Gleichtaktinduktivität 12 sind zwei Kondensatoren 12, 13 als Ableitkapazität C_Y angeordnet, wobei der eine Kondensator 12 zwischen einer positiven Spannungsleitung 14 und Masse und der andere Kondensator 13 zwischen einer negativen Spannungsleitung 15 und Masse geschaltet ist. Des Weiteren sind in der 1 parasitäre Impedanzen Z_par dargestellt, über die das Hochvoltnetz 1 mit der Masse gekoppelt ist, die jedoch nachfolgend vernachlässigt werden sollen. Das Hochvoltnetz 1 ist beispielsweise das Traktionsnetz eines Hybrid-, Brennstoffzellen- oder Elektrofahrzeugs.
Der Wechselrichter 4 erzeugt für den motorischen Betrieb der Elektromaschine 6 ein 3-Phasen-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 vorzugsweise 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 ein nicht dargestelltes 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.
Diese Störstrahlung wird über die Ableitkapazität C_Y von Masse auf die positive Spannungsleitung 14 und die negative Spannungsleitung 15 übertragen.
Zur Vermeidung dieser Rückkopplung über die Ableitkapazitäten C_Y erhalten diese eine Zusatzbeschaltung.
In der 2 ist eine erste Ausführungsform für eine Zusatzbeschaltung für die Ableitkapazität C_Y zwischen der negativen Spannungsleitung 15 und Masse (z.B. die Fahrzeugkarosserie) dargestellt, wobei die Zusatzschaltung für die Ableitkapazität C_Y zwischen der positiven Spannungsleitung 14 und Masse entsprechend ist. Parallel zu der Ableitkapazität C_Y ist ein ohmscher Widerstand R angeordnet. In Reihe zu der Parallelschaltung aus Ableitkapazität C_Y und Widerstand R ist eine Diode D angeordnet, deren Kathode mit Masse verbunden ist. Die Diode D verhindert dabei einen Stromfluss von Masse in Richtung negative Spannungsleitung 15. Da die Störsignale Wechselspannungssignale sind, werden mindestens die positiven Anteile der Störsignale geblockt. Allerdings verschlechtert der Widerstand R und die Diode D die Entkopplung zwischen Spannungsleitung 15 und Masse bei niedrigeren Frequenzen, die jedoch hinsichtlich der EMV-Probleme weniger kritisch sind. Aus verschiedenen Gründen können dabei auch mehrere Dioden D parallel geschaltet sein und/oder mehrere Dioden in Reihe geschaltet sein. Der Widerstand R wird dabei vorzugsweise abhängig von der Ableitkapazität C_Y derart gewählt, dass die Zeitkonstante τ=R·C kleiner als ein vorgegebener Wert τ_max ist, um den Kondensator 13 ausreichend schnell zu entladen.
In der 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der die Ableitkapazität C_Y Bestandteil eines Parallel-Schwingkreises ist. Die Zusatzbeschaltung besteht dabei aus einer Induktivität L und einem Widerstand R. Für Störungen im Resonanzbereich des Schwingkreises verhindert dieser einen Stromfluss zwischen Spannungsleitung 15 und Masse und entkoppelt somit die Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite. Somit können gezielt besonders störende Frequenzbereiche der Störstrahlung herausgefiltert werden.
In der 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, wobei die Ableitkapazität C_Y nicht selbst Bestandteil des Parallel-Schwingkreises ist, der durch eine Kapazität C1, eine Induktivität L1 und einen Widerstand R1 gebildet wird. Der Vorteil gegenüber der Ausgestaltung gemäß 3 ist ein höherer Freiheitsgrad bei der Einstellung der Resonanzfrequenz.
In der 5 sind die auftretenden Störspannungen in mV über der Frequenz f in Hz für ein Hochspannungsnetz 1 gemäß 1 ohne Zusatzbeschaltung sowie mit einer Zusatzbeschaltung gemäß 2 dargestellt, wobei die Störanteile ohne Zusatzbeschaltung gestrichelt sind. Dabei sind bei der Ausführungsform mit Zusatzbeschaltung die Störspannungen im Bereich bis ca. 100 kHz größer als ohne Zusatzbeschaltung. Für Frequenzen größer 100 kHz sind dann jedoch die Störspannungen mit Zusatzbeschaltung um ein Vielfaches kleiner als ohne Zusatzbeschaltung und ab ca. 400 kHz vernachlässigbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008012418 A1 [0003]
DE 19850853 A1 [0005]

Claims

Potentialfreies Gleichspannungsnetz, umfassend eine Gleichspannungsquelle, einen Wechselrichter (4) sowie mindestens einen an den Wechselrichter (4) angeschlossenen elektrischen Verbraucher (5), wobei die Gleichspannungsquelle mit einer positiven Spannungsleitung (14) und einer negativen Spannungsleitung (15) mit dem Wechselrichter (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven Spannungsleitung (14) und einer Masse eine erste Ableitkapazität (C_Y) und zwischen der negativen Spannungsleitung (15) und einer Masse eine zweite Ableitkapazität (C_Y) angeordnet sind, wobei die Ableitkapazitäten (C_Y) jeweils eine Zusatzbeschaltung aufweisen, die mindestens bei einer Frequenz einen Stromfluss in mindestens eine Richtung von der Masse zu der jeweiligen Spannungsleitung (14, 15) verhindert.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzbeschaltung parallel zu der Ableitkapazität (C_Y) ein ohmscher Widerstand (R) geschaltet ist und in Serie zu dieser Parallelschaltung mindestens eine Diode (D) angeordnet ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzbeschaltung parallel zu der Ableitkapazität (C_Y) eine Induktivität (L) und ein ohmscher Widerstand (R) geschaltet sind, die zusammen einen Parallel-Schwingkreis bilden.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu den Ableitkapazitäten (C_Y) jeweils ein Parallel-Schwingkreis angeordnet ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Ableitkapazität (C_Y) jeweils ein ohmscher Widerstand (R) geschaltet ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichspannungsnetz als Hochvoltnetz (1) in einem Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher als Elektromaschine (6) ausgebildet ist.
Potentialfreies Gleichspannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven Spannungsleitung (14) und der negativen Spannungsleitung (15) mindestens ein Zwischenkreiskondensator (3) angeordnet ist.