DE102016203044B4

DE102016203044B4 - Verfahren und vorrichtung zur rippelspannungsreduktion in einem fahrzeugbordnetz

Info

Publication number: DE102016203044B4
Application number: DE102016203044.2A
Authority: DE
Inventors: Primoz Kerzic; Vincent Molina; Pablo Fritzsche
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2024-04-18
Anticipated expiration: 2036-02-27
Also published as: DE102016203044A1

Abstract

Verfahren zur Reduktion von Rippelspannungen und/oder Rippelströmen in einem mittels einer Gleichspannung (VDC) versorgten elektrischen Fahrzeugbordnetz (1), das eine Mehrzahl N von Wechselrichtern (4a, 4b) mit daran ausgangsseitig angeschlossenen elektrischen Verbrauchern (3a, 3b) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:Erzeugen, mittels der N Wechselrichter, je einer oder mehrerer Ausgangsspannungen und/oder Ausgangsströme zur Versorgung der Verbraucher (3a, 3b), wozu jeder der Wechselrichter (4a, 4b) die Gleichspannung (VDC) bzw.einen dadurch gespeisten Strom durch Schalten von elektronischen Schaltelementen zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten elektrischen Zustand periodisch im Takt von jeweils einem in Tastperioden angeordneten Taktsignal (T1; T2) moduliert, so dass jeder der Wechselrichter (4a, 4b) eine dem Kehrwert der Dauer einer Tastperiode seines Taktsignals (T1, T2) entsprechende Taktfrequenz aufweist; undKonfigurieren der Tastperioden und Phasen der N Taktsignale (T1, T2) so, dass die resultierenden Taktfrequenzen der wenigstens zwei Wechselrichter (4a, 4b) zumindest im Wesentlichen übereinstimmen und ihre Tastperioden in der Phase um einen vorbestimmten Phasenverschiebungswert gegeneinander verschoben sind,wobei das Konfigurieren der Phasen die folgenden Schritte aufweist:Wiederholtes Messen einer der Gleichspannung überlagerten Rippelspannungskomponente (VAC) zur Bestimmung eines eine Amplitude der der Rippelspannungskomponente (VAC) kennzeichnenden Messwertes ; undFestlegen des vorbestimmten Phasenverschiebungswerts durch Regeln der Phasenverschiebung zwischen den Taktsignalen (T1, T2) auf solche Weise,dass dadurch der Messwert der Rippelspannungskomponente (VAC) unterhalb einer vorbestimmten Schwelle (VTH) gehalten oder minimiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Rippelspannungen und/oder Rippelströmen in einem mittels einer Gleichspannung versorgten elektrischen Fahrzeugbordnetz, das eine Mehrzahl N von Wechselrichtern mit daran ausgangsseitig angeschlossenen elektrischen Verbrauchern, insbesondere elektrischen Traktionsmotoren für ein Fahrzeug, aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungsvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens sowie ein Fahrzeugbordnetz mit einer solchen Steuervorrichtung.
Wenn mehrere elektrische Verbraucher mittels einer gemeinsamen Spannungsversorgung versorgt werden sollen, ist es üblich, dafür an eine entsprechende Spannungsquelle gekoppelte Spannungs- bzw. Stromversorgungsnetze zu verwenden. Im Bereich der Fahrzeugtechnik werden solche Versorgungsnetze insbesondere im Zusammenhang mit der Versorgung von Elektromotoren zum Antrieb des Fahrzeugs, wie dies bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen der Fall ist, sowie zur Versorgung weiterer Verbraucher im Fahrzeug eingesetzt. Die entsprechenden Spannungs- bzw. Stromversorgungsnetze einschließlich der daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher werden dabei meist als Fahrzeugbordnetz bezeichnet. In der Regel wird ein solches Fahrzeugbordnetz mit wenigstens einer Batterie als Spannungsquelle, etwa mit einer wenigstens einer Lithium-Ionen-Batterie oder Brennstoffzelle, mit Gleichspannung bzw. Gleichstrom versorgt.
Wenn jedoch die Verbraucher, bei denen es sich insbesondere um Wechselstrom-Elektromotoren handeln kann, eine Versorgung mit Wechselspannung bzw. -strom erfordern, ist zuvor eine Umsetzung der von der Spannungsquelle gelieferten Gleichspannung in eine entsprechende Wechselspannung erforderlich. Dazu könne sogenannte Wechselrichter, die auch oft als „Inverter“ bezeichnet werden, zum Einsatz kommen. Insbesondere dann, wenn die Wechselrichter ausgangsseitig durch die Versorgung eines oder mehrerer daran gekoppelter Verbraucher stark belastet werden, kann es jedoch dazu kommen, dass dabei eine Wechselspannungskomponente erzeugt wird, die der Gleichspannung im Fahrzeugbordnetz überlagert wird und somit eine entsprechende Spannungswelligkeit der Gleichspannung bewirkt. Diese der Gleichspannung überlagerte Wechselspannungskomponente, wird regelmäßig auch als „Rippelspannung“ bezeichnet.
Rippelspannungen in Gleichspannungs- bzw. -stromnetzen können zu verschiedenen Nachteilen, wie etwa dem Auftreten von zusätzlichen Verlustleistungen, führen, so dass grundsätzlich ein Bedarf dafür besteht, sie zu unterdrücken oder gar von vornherein zu vermeiden. Eine bekannte herkömmliche Lösung besteht darin, einen oder mehrere ausreichend große Blockkondensatoren zur Glättung der Spannung im Gleichspannungsnetz, bevorzugt schon am Entstehungsort der Rippelspannung, vorzusehen.
In dem Dokument US 2012/0235617 A1 wird ein System offenbart, das in der Lage sein soll, den Antrieb eines Fahrzeugs mit reduziertem Rippelstrom auf einem Gleichstrombus zu steuern. Das System weist einen ersten Motor zum Aufbringen von Rotationsenergie auf ein entsprechendes erstes Rad des Fahrzeugs auf. Ein zweiter Motor ist so angeordnet, dass er einem zweiten Rad des Fahrzeugs Rotationsenergie zuführt. Ein erster Wechselrichter ist mit dem ersten Motor gekoppelt, wobei der erste Wechselrichter in der Lage ist, elektrische Gleichstromenergie von dem Gleichstrombus zu empfangen. Der erste Wechselrichter ist so konfiguriert, dass er eine erste Gruppe von Wechselströmen mit einer entsprechenden Referenzphase bereitstellt. Ein zweiter Wechselrichter ist mit dem zweiten Motor verbunden. Der zweite Wechselrichter ist in der Lage, elektrische Gleichstromenergie von dem Gleichstrombus zu empfangen. Der zweite Wechselrichter ist so konfiguriert, dass er eine zweite Gruppe von Wechselströmen mit einer Phasenverschiebung in Bezug auf die Referenzphase bereitstellt, so dass die Phasenverschiebung die Gleichstromwelligkeit auf dem Gleichstrombus reduziert.
In dem Dokument DE 10 2009 028 081 A1 wird eine Vorrichtung für ein elektrisches System zum Gebrauch in einem Fahrzeug offenbart. Das elektrische System weist eine Energiequelle und einen Motor auf. Der Motor hat einen ersten Satz Wicklungen und einen zweiten Satz Wicklungen, die elektrisch voneinander isoliert sind. Zwischen der Energiequelle und dem Motor ist ein Invertermodul gekoppelt. Das Invertermodul umfasst einen ersten Satz Phasenschenkel, der an den ersten Satz Wicklungen gekoppelt ist, und einen zweiten Satz Phasenschenkel, der an den zweiten Satz Wicklungen gekoppelt ist. Eine Steuereinheit ist mit dem Invertermodul gekoppelt sowie dazu ausgebildet, den ersten Satz Phasenschenkel mit einem ersten Trägersignal zu modulieren, und den zweiten Satz Phasenschenkel mit einem zweiten Trägersignal zu modulieren, um einen gewünschten Leistungsfluss zwischen der Energiequelle und dem Motor zu erzielen. Das zweite Trägersignal ist phasenverschoben gegenüber dem ersten Trägersignal.
In dem Dokument EP 1 912 321 A2 wird ein Leistungsumwandlungssystem mit einem Gleichstromverteilungsbus offenbart, das mindestens zwei Wandler, die jeweils mit dem Gleichstromverteilungsbus verbunden sind, aufweist, und einen ersten Regler, der mit einem ersten der beiden Wandler verbunden ist und den ersten Wandler unter Verwendung von Raumvektormodulation steuert; einen zweiten Regler, der mit einem zweiten der beiden Wandler verbunden ist und den zweiten Wandler unter Verwendung von Raumvektormodulation steuert, wobei: die Raumvektormodulationsrahmen des zweiten Reglers mit den Raumvektormodulationsrahmen des ersten Reglers synchronisiert sind; und die Raumvektormodulationsrahmen des zweiten Reglers relativ zu den Raumvektormodulationsrahmen des ersten Reglers phasenverschoben sind.
In dem Dokument US 2011/0074326 A1 werden elektrische Motor/Generator-Antriebssysteme offenbart. Die Antriebssysteme weisen eine Batterie und einen DC-Bus-Filterkondensator auf, der parallel zu der Batterie geschaltet ist. Ein Wechselrichter mit Schalterpaaren ist parallel zu dem Gleichstrombus-Filterkondensator geschaltet. Ein oder mehrere Motoren/Generatoren, die mindestens zwei Sätze von Statorwicklungen bilden, sind mit den Schalterpaaren des Wechselrichters verbunden. Jeder der Wicklungssätze kann unabhängig verwendet werden, um einen Rotor in einem der Motoren/Generatoren in Bewegung zu setzen. Die Schalterpaare, die mit jedem Satz von Statorwicklungen verbunden sind, bilden eine Wechselrichterbrücke.
In dem Dokument US 2011/0238245 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors mit einer Vielzahl von Wicklungen mit einem Wechselrichter mit einer Vielzahl von Schaltern, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind, offenbart. Eine erste Mehrzahl von Schaltvektoren wird an die Mehrzahl von Schaltern angelegt. Die erste Vielzahl von Schaltvektoren umfasst ein erstes Verhältnis von Schaltvektoren einer ersten Größe zu Schaltvektoren einer zweiten Größe. Ein der Spannungsquelle zugeordneter Gleichstrom wird während des Anlegens der ersten Vielzahl von Schaltvektoren an die Vielzahl von Schaltern überwacht. Ein zweites Verhältnis der Schaltvektoren der ersten Größe zu den Schaltvektoren der zweiten Größe wird auf der Grundlage der Überwachung des mit der Spannungsquelle verbundenen Gleichstroms ausgewählt. Eine zweite Mehrzahl von Schaltvektoren wird an die Mehrzahl von Schaltern angelegt. Die zweite Vielzahl von Schaltvektoren umfasst das zweite Verhältnis der Schaltvektoren der ersten Größe zu den Schaltvektoren der zweiten Größe.
In dem Dokument DE 37 04 431 C2 ist ein Umrichter mit einem Gleichrichter, einem Gleichstromzwischenkreis und einem Wechselrichter, der einen Wechselstrom abgibt, offenbart.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Reduktion von Rippelspannungen in Gleichspannungs-Fahrzeugbordnetzen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, weiter zu verbessern.
Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Reduktion von Rippelspannungen und/oder Rippelströmen in einem mittels einer Gleichspannung versorgten elektrischen Fahrzeugbordnetz und durch ein solches Fahrzeugbordnetz gemäß Anspruch 9.
Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Rippelspannungen und/oder Rippelströmen in einem mittels einer Gleichspannung versorgten elektrischen Fahrzeugbordnetz, das eine Mehrzahl N von Wechselrichtern mit daran ausgangsseitig angeschlossenen elektrischen Verbrauchern aufweist. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf: Erzeugen, mittels der N Wechselrichter, je einer oder mehrerer Ausgangsspannungen und/oder Ausgangsströme zur Versorgung der Verbraucher, wozu jeder der Wechselrichter die Gleichspannung bzw. einen dadurch gespeisten Strom durch Schalten von elektronischen Schaltelementen zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten elektrischen Zustand periodisch im Takt von jeweils einem in Tastperioden angeordneten Taktsignal moduliert, so dass jeder der Wechselrichter eine dem Kehrwert der Dauer einer Tastperiode seines Taktsignals entsprechende Taktfrequenz aufweist; und Konfigurieren der Tastperioden und Phasen der N Taktsignale so, dass die resultierenden Taktfrequenzen der wenigstens zwei Wechselrichter zumindest im Wesentlichen, übereinstimmen und ihre Tastperioden in der Phase um einen vorbestimmten Phasenverschiebungswert gegeneinander verschoben sind, wobei das Konfigurieren der Phasen die folgenden Schritte aufweist: Wiederholtes Messen einer der Gleichspannung überlagerten Rippelspannungskomponente zur Bestimmung eines eine Amplitude der der Rippelspannungskomponente kennzeichnenden Messwertes; und
Festlegen des vorbestimmten Phasenverschiebungswerts durch Regeln der Phasenverschiebung zwischen den Taktsignalen auf solche Weise, dass dadurch der Messwert der Rippelspannungskomponente unterhalb einer vorbestimmten Schwelle gehalten oder, zumindest lokal, minimiert wird.
Unter einem „Fahrzeugbordnetz“ im Sinne der Erfindung ist ein Netzwerk für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zu verstehen, das der Versorgung zumindest einer Teilmenge der elektrischen Komponenten des Fahrzeugs mit elektrischer Energie dient. Das Fahrzeugbordnetz kann insbesondere mittels eines Kabelbaums ausgestaltet sein, der die entsprechenden elektrischen Komponenten, die ebenfalls zum Fahrzeugbordnetz gehören, mit einer elektrischen Energiequelle, insbesondere einer Fahrzeugbatterie verbindet. Die elektrischen Komponenten können insbesondere Verbraucher elektrischer Energie, wie etwa Elektromotoren oder andere Aktuatoren oder elektrische Heizungen sein, und werden hier dann als „elektrische Verbraucher“ oder kurz „Verbraucher“ bezeichnet. Die Elektromotoren bzw. anderen Aktuatoren können insbesondere zum Antrieb des Fahrzeugs oder anderer Fahrzeugkomponenten, wie etwa von Fensterhebern, Schiebedächern usw. dienen.
Unter einem „Wechselrichtern“ oder „Inverter“ im Sinne der Erfindung ist eine elektrische Vorrichtung aus der Gruppe der Stromrichter zu verstehen, die Gleichspannung in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in Wechselstrom umrichtet. Insbesondere kann dabei durch den Wechselrichter die Gleichspannung im Takt eines periodischen Taktsignals moduliert werden, d.h. in der Regel durch Zerhacken (Chopper-Betrieb) oder Umpolen. Dabei kann die Modulation auch als Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgen. Dabei kann insbesondere ein Mittelwert einer hochfrequenten, pulsweitenmodulierten Spannung als Ausgangs-Wechselspannung des Wechselrichters ausgegeben werden.
Im Sinne der Erfindung stimmen die Taktfrequenzen der wenigstens zwei Wechselrichter zumindest dann im Wesentlichen überein, wenn:

- die Taktfrequenzen identisch sind, insbesondere, wenn sie ohne Frequenzänderung aus demselben Ausgangstaktsignal abgeleitet sind; oder
- sich die mittleren Frequenzen der N Taktsignale paarweise höchstens um eine Frequenzabweichung unterscheiden, die kleiner oder gleich dem Jitter (d.h. der Frequenzschwankung) desjenigen der Taktsignale mit dem größeren Jitter ist, d.h. wenn der größte bei einem der N Taktsignale auftretende Jitter eine Maximaldifferenz („Jittergrenze“) zwischen je zwei der Frequenzen (bzw. deren Mittelwert) definiert; oder
- die Frequenzen systematisch, etwa mittels einer Steuerung oder Regelung und insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen oder beim Erreichen einer vorbestimmten Frequenzabweichung voneinander, wieder zumindest innerhalb der Jittergrenze in Übereinstimmung gebracht werden.

Die elektronischen Schaltelemente der Wechselrichter können insbesondere Transistoren sein die unmittelbar oder mittelbar mit dem Taktsignal angesteuert werden.
Mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden die von den Wechselrichtern in das Fahrzeugbordnetz rückgekoppelten Rippelspannungen gezielt so gegeneinander phasenverschoben, dass es zumindest zu einer gegenseitigen Teilkompensation kommt und somit die sich durch Überlagerung der rückgekoppelten Rippelspannungen mit der Gleichspannung ergebende Spannung des Fahrzeugbordnetzes eine insbesondere gegenüber dem gleichphasigen Fall reduzierte Spannungswelligkeit aufweist.
So können mit einer Spannungswelligkeit einhergehende Nachteile vermieden oder jedenfalls reduziert werden. Zu solchen Nachteilen gehören insbesondere unerwünschte Verlustleistungen sowie eine Beschleunigung der Alterung von elektrischen Komponenten des Fahrzeugbordnetzes, wie sie aufgrund von Lade- und Entladevorgänge in Kondensatoren oder anderen Energiespeichern im Fahrzeugbordnetz, insbesondere auch in seinen Wechselrichtern und den zugehörigen Verbrauchern rippelspannungsbedingt auftreten können. Auch können so rippelspannungsbedingte magnetische Wechselfelder vermieden oder zumindest reduziert werden, die andernfalls das EMV-Verhalten des Fahrzeugbordnetzes als Ganzes, insbesondere seiner Verbraucher, negativ beeinflussen könnten. Wenn das Fahrzeugbordnetz gegen Überspannung abgesichert ist, kann ein unvorhergesehenes Abschalten des Fahrzeugbordnetzes bzw. seiner Spannungsversorgung (z. B. durch Schutzabschaltung der Verbindung zur Batterie) aufgrund von rippelspannungsbedingten temporären Überspannungen auftreten. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung sind dagegen auch höhere Nennspannungen im Fahrzeugbordnetz bei gleicher Maximalspannung möglich, ohne dass es zu unerwünschten Abschaltungen kommt, da dann nur ein geringerer Spannungspuffer zwischen Nennspannung und Überspannungsgrenze erforderlich ist. Auch kann negativen Einflüssen von Spannungswelligkeiten auf die Performanz von Verbrauchern im Fahrzeugbordnetz begegnet werden. Schließlich können benötigte Kapazitäten im Fahrzeugbordnetz, insbesondere in den Wechselrichtern und Verbrauchern aufgrund der reduzierten Spannungswelligkeit kleiner gewählt werden, was zu Raum- und Kosteneinsparungen führen kann. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und seiner Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den im Weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Weiterhin wird also die Phasenverschiebung beim Konfigurieren so geregelt, dass dabei eine Phasenverschiebung eingestellt wird, die tatsächlich zur Reduktion bzw. Beschränkung der Rippelspannung führt. Während also etwa im einfachsten Fall für N = 2 theoretisch eine Phasenverschiebung von 180° ideal sein sollte, um eine maximale Reduktion oder gar eine Auslöschung der Rippelspannungskomponente zu erreichen, kann in der Praxis aufgrund verschiedenster Einflüsse, insbesondere von Abweichungen der Rippelspannungen untereinander, auf diese Weise auch dann ein Optimum bzgl. einer Reduktion der Spannungswelligkeit erreicht werden, wenn die dafür nötige Phasenverschiebung von 180° verschieden ist. Das Regeln der Phasenverschiebung kann insbesondere in vorbestimmten Phasenschritten erfolgen, wobei solange ein schrittweises Verschieben der Phase erfolgt, bis eine Messung des Spitze-Spitze-Spannungswertes oder einer anderen geeigneten Kenngröße für die Rippelspannung ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt.
Gemäß einer bevorzugten Variante erfolgt das Regeln der Phasenverschiebung dabei so, dass dadurch ein gemessener Spitze-Spitze-Spannungswert der Rippelspannungskomponente unterhalb einer vorbestimmten Schwelle gehalten oder, zumindest lokal, minimiert wird. Insbesondere kann die Rippelspannungskomponente dazu auch vor bzw. bei der Messung gleichgerichtet werden und eine Amplitude dieser gleichgerichteten Spannung als Spitze-Spitze-Spannungswert für die Regelung verwendet werden. Auf diese Weise lässt sich eine minimale Spannungswelligkeit bzw. eine Spannungswelligkeit unterhalb einer kritischen Schwelle gezielt einstellen und erreichen. Dasselbe gilt entsprechend für die korrespondierende Stromwelligkeit.
Gemäß einer weiteren, insbesondere alternativen, bevorzugten Ausführungsform weist das Konfigurieren der Phasen ein Erzeugen eines Ausgangstaktsignals mit einer bestimmten Taktfrequenz, ein Zuführen des Ausgangstaktsignals an die N Wechselrichter, und ein Ableiten, jeweils aus dem Ausgangstaktsignal, eines ihm zugeordneten Taktsignals durch jeden der N Wechselrichter auf. Dabei fügt zumindest einer der N Wechselrichter dem Ausgangssignal eine vorbestimmte Phasenverschiebung hinzu, um ein ihm zugeordnetes und gegenüber dem Taktsignal wenigstens eines anderen der N Wechselrichter phasenverschobenes Taktsignal zu erhalten. Auf diese Weise synchronisieren sich die N Wechselrichter selbst, gegebenenfalls mittels einer entsprechenden vorbestimmten Phasenverschiebung, auf das Ausgangstaktsignal. Gemäß einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird dabei das Ausgangstaktsignal von einem der N Wechselrichter selbst erzeugt, wobei das Ausgangstaktsignal insbesondere sein eigenes, intern vorhandenes oder ein davon abgeleitetes Taktsignal sein kann.
Dabei kann gemäß einer weiteren bevorzugten Variante der das Ausgangstaktsignal erzeugende Wechselrichter dieses, d.h. das Ausgangstaktsignal, mittels eines Bussystems an die anderen der N Wechselrichter übermitteln. Bei dem Bussystem kann es sich insbesondere um einen CAN-, LIN-, oder Flexray-Bus handeln. Busse der genannten Bustypen sind regelmäßig in vielen Fahrzeugen als Standardbus vorhanden und können somit ohne großen Zusatzaufwand oder gar ein zusätzliches Verteilnetz genutzt werden, um das Ausgangstaktsignal an die Wechselrichter zu übermitteln. Insbesondere im letztgenannten Fall ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn das Ausgangstaktsignal eine niedrigere Frequenz aufweist, als die abgeleiteten Taktsignale der Wechselrichter. Somit kann einerseits das Ausgangstaktsignal in einem von der jeweiligen Übertragungsstrecke, insbesondere einem Bus, zur Zuführung des Ausgangstaktsignals an die Wechselrichter unterstützten bzw. transparenten Frequenzbereich (z.B. unterhalb von 10 kHz) übertragen werden. Andererseits können die abgeleiteten Taktsignale eine deutlich höherer Frequenz aufweisen, was insbesondere beim Einsatz von pulsweitenmodulierten Signalen zur Erzeugung glattere Ausgangsspannungen und einer genaueren Einstellbarkeit dieser genutzt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Konfigurieren der Phasen der N Taktsignale so, dass die Phasen von zwei der N Taktsignale zueinander gegenläufig gewählt sind. Insbesondere kann dies so auf weitere Wechselrichter erweitert werden, dass das Konfigurieren so erfolgt, dass je zwei der N Wechselrichter ein Paar bilden und die Phasen der beiden Taktsignale innerhalb jedes Paars gegenläufig gewählt werden. Auf diese Weise ist es möglich, auf besonders einfache Weise eine Reduktion einer Rippelspannungs- bzw. Stromkomponente zu erreichen, da die Bestimmung der dazu erforderlichen Phasenverschiebungen paarweise und zwischen den Paaren voneinander unabhängig erfolgen kann. Es ist somit nicht erforderlich, das Zusammenspiel einer höheren Anzahl von Taktsignalen gleichzeitig zu berücksichtigen, insbesondere zu optimieren. Somit lassen sich auch der Aufwand und die Komplexität einer entsprechenden Hardware- und/oder Software-Implementierung zur Bestimmung der Phasenverschiebung gering halten bzw. reduzieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist N gleich 2. Eine solche Lösung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn zwei besonders rippelspannungsanfällige und/oder Rippelspannungen begünstigende Verbraucher, wie etwa Traktionsmotoren von Elektro-oder Hybridfahrzeugen, mittels desselben Fahrzeugbordnetzes versorgt werden sollen. Ganz besonders vorteilhaft kann das Verfahren dann eingesetzt werden, wenn es sich dabei um gleichartige Verbraucher handelt, so dass die durch sie erzeugten beiden Rippelspannungen im Wesentlichen ähnlich oder gleich sind. Dann lässt sich mittels einer Phasenverschiebung, insbesondere einer gegenläufigen Phasenverschiebung, eine zumindest weitgehende gegenseitige Auslöschung der Rippelspannungen der beiden Verbraucher erreichen, so dass die Spannungswelligkeit insgesamt zumindest weitgehend beseitigt bzw. vermieden wird.
Bevorzugt liegt im Falle von N=2 oder der vorgenannten paarweisen Behandlung der Taktsignale der Wert der vorbestimmten Phasenverschiebung zwischen den den N=2 Wechselrichtern bzw. den den beiden Wechselrichtern eines Paares zugeordneten Taktsignalen (i) zwischen 175° und 185°, bevorzugt zwischen 178° und 182°, besonders bevorzugt zwischen 179° und 181° oder (ii) er beträgt 180°, oder (iii) er nimmt den M-ten Bruchteil eines Wertes gemäß (i) oder (ii) an, wobei M eine natürliche Zahl ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Fahrzeugbordnetz mit einer Mehrzahl N von Wechselrichtern und daran ausgangsseitig angeschlossenen elektrischen Verbrauchern, wobei das Fahrzeugbordnetz eingerichtet ist, mittels einer Gleichspannung versorgt zu werden und das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. einer seiner hierin beschriebenen Ausführungsformen und Varianten auszuführen, wobei das Fahrzeugbordnetz eine Messanordnung zum Messen einer der Gleichspannung überlagerten Rippelspannungskomponente aufweist, wobei das Fahrzeugbordnetz des Weiteren einen Taktgeber aufweist, der eingerichtet ist, ein Ausgangstaktsignal mit einer bestimmten Taktfrequenz zu erzeugen und dieses den N Wechselrichtern zuzuführen. Dabei ist jeder der N Wechselrichter eingerichtet, aus dem zugeführten Ausgangstaktsignal ein ihm zugeordnetes Taktsignals abzuleiten. Zumindest einer der N Wechselrichter ist eingerichtet, dabei dem Ausgangssignal eine Phasenverschiebung hinzuzufügen, um ein ihm zugeordnetes und gegenüber dem Taktsignal wenigstens eines anderen der N Wechselrichter um einen vorbestimmten Phasenverschiebungswert phasenverschobenes Taktsignal zu erhalten. Wie schon vorausgehend erwähnt, kann die Zuführung des Ausgangstaktsignals an die Wechselrichter bevorzugt über einen Bus, insbesondere einen auch für andere Zwecke im Fahrzeug vorgesehenen Bus erfolgen. Insbesondere im letztgenannten Fall ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn das Ausgangstaktsignal eine niedrigere Frequenz aufweist, als die abgeleiteten Taktsignale der Wechselrichter. Dies wurde bereits vorausgehend im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert.
Der Taktgeber kann in einer bevorzugten Ausführungsform selbst Bestandteil eines der Wechselrichter sein, was eine besonders kompakte Bauform der Steuerungsvorrichtung ermöglicht. In einer Variante ist der das Ausgangstaktsignal aussendende Wechselrichter eingerichtet, selbst das Ausgangstaktsignal von dem Bus zu empfangen („Readback“). Somit ist eine Gleichbehandlung mit den anderen Wechselrichtern in dieser Hinsicht möglich, was vor allem vorteilhaft sein kann, wenn auch andere, nicht von diesem Wechselrichter stammende Signale über den Bus an die Wechselrichter übertragen werden sollen.
Die Messanordnung kann insbesondere konfiguriert sein, einen Spitze-Spitze-Spannungswert dieser Rippelspannungskomponente zu erfassen. Die Vorteile und weitere Einzelheiten dieser Ausführungsform wurden bereits vorausgehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. seinen entsprechenden Ausführungsformen erläutert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messanordnung eine Messvorrichtung zur Spannungsmessung, ein Wechselspannungskopplungsglied und ein Frequenzfilter auf. Das Wechselspannungskoppelglied ist an die Gleichspannungsversorgung des Fahrzeugbordnetzes gekoppelt und konfiguriert, eine der Gleichspannung überlagerte Rippelspannungskomponente zu übertragen und dabei gleichzeitig eine galvanische Trennung gegenüber der Gleichspannung zu bewirken. Es kann insbesondere einen Transformator aufweisen. Das Frequenzfilter ist zwischen das Wechselspannungskopplungsglied und die Messvorrichtung geschaltet und konfiguriert, die Rippelspannungskomponente selektiv in einem als Durchlassbereich wirkenden Frequenzband, in dem die zumindest im Wesentlichen übereinstimmenden Taktfrequenzen der N Wechselrichter liegen, an die Messvorrichtung zu übertragen. Auf diese Weise lässt sich zum einen mittels der galvanischen Trennung die Gleichspannungskomponente der an der Eingangsseite anliegenden Spannung abtrennen, während zum anderen mittels des Wechselspannungskoppelglieds die Rippelspannungskomponente der Spannung übertragen und mittels des Frequenzfilter gefiltert wird . Hinter dem Frequenzfilter steht somit ein Rippelspannungssignal zur Messung bereit, das von störenden Gleichspannungs- sowie von Wechselspannungsanteilen zu deutlich anderen Frequenzen als der Taktfrequenz zumindest weitgehend befreit ist. Anhand dieses Signals kann somit eine verbesserte Messung der Rippelspannungskomponente, insbesondere eine Bestimmung ihres Spitze-Spitze-Spannungswerts erfolgen. Der Frequenzfilter kann insbesondere als Bandpassfilter mit einem um die Taktfrequenz zentrierten Passband ausgeführt sein. Einer bevorzugten Variante weist der Frequenzfilter eine LC-Filterschaltung auf. Ein Vorteil einer solchen Analogmessschaltung liegt darin, dass sie auch für die Verwendung bei typischen Taktfrequenzen von 10 kHz oder höher zum Einsatz kommen kann, wo konventionelle digitale Spannungssensoren nur mit einer deutlich höheren Abtastrate, z. B. > 100 kHz) korrekte Messergebnisse liefern würden. Solche sehr hohen Abtastraten sind jedoch in Fahrzeugen typischerweise aufgrund von Übertragungsbeschränkungen der dort verwendeten Bussysteme (z.B. CAN-, LIN-, oder Flexray-Bus) meist nicht verfügbar. Zudem kann in der Messanordnung ein Gleichrichter, insbesondere eine einzelne Diode vorgesehen sein, um die vom Wechselspannungskopplungsglied übertragene Rippelspannungskomponente vor ihrer Messung gleichzurichten. So kann insbesondere statt eines Spitze-Spitze-Spannungswertes direkt eine Amplitude der Rippelspannungskomponente und insbesondere für eine Regelung der Phasenverschiebung zwischen einzelnen Taktsignalen der Wechselrichter verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei der Verbraucher elektrische Traktionsmotoren zum Antrieb eines Fahrzeugs. Der Einsatz der Erfindung ist insbesondere in diesem Zusammenhang vorteilhaft, da Traktionsmotoren im Vergleich zu anderen Verbrauchern im Fahrzeug typischerweise zu den besonders leistungsstarken Verbrauchern gehören, meistens sogar die leistungsstärksten Verbraucher darstellen, und somit gerade bei Verwendung mehrerer solcher leistungsstarker Verbraucher starke Rippelspannungs- bzw. Rippelstromkomponenten in das eigentlich als Gleichstromnetz ausgelegte und von einer oder mehreren Gleichstrombatterien gespeist Fahrzeugbordnetz rückgekoppelt werden können. Eine Vermeidung bzw. Reduktion von Rippelspannungen bzw. -strömen im Fahrzeugbordnetz ist somit gerade in diesem Fall besonders vorteilhaft bzw. erforderlich.
Das vorausgehend jeweils für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte trifft im Übrigen gleichermaßen auf das erfindungsgemäße Fahrzugbordnetz zu.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt:

1 schematisch ein mit einer Gleichspannung versorgtes konventionelles Fahrzeugbordnetz mit zwei Verbrauchern;
2 ein Fahrzeugbordnetz gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine bevorzugte Ausführungsform einer Spannungsmessvorrichtung im Fahrzeugbordnetz, insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz gemäß 2;
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, das im Zusammenhang mit dem Fahrzeugbordnetz aus 2 verwendet werden kann;
5 ein Fahrzeugbordnetz gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
6 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, das im Zusammenhang mit dem Fahrzeugbordnetz aus 5 verwendet werden kann; und
7 Ergebnisse einer Simulation zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäß erreichten Reduzierung der Rippelspannung bzw. des Rippelstroms in einem beispielhaften Fahrzeugbordnetz mit zwei Traktions-Elektromotoren als Verbraucher;

In den nachfolgenden Figuren, werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, die ein konventionelles Fahrzeugbordnetz zeigt. Das Fahrzeugbordnetz wird von einem eine Gleichspannung V_DC liefernden elektrischen Energiespeicher 2, der insbesondere eine Hochvolt-Lithium-Ionen Batterie aufweisen kann, mit elektrischer Energie versorgt. An dem Energiespeicher 2 sind über Versorgungsleitungen 5 und jeweils zugeordnete Wechselrichter 4a bzw. 4b zwei elektrische Verbraucher 3a bzw. 3b angeschlossen. Die beiden Wechselrichter 4a bzw. 4b erzeugen jeweils aus der von dem Energiespeicher 2 gelieferten Gleichspannung V_DC eine daraus abgeleitete Wechselspannung als Ausgangsspannung zur Versorgung des jeweils zugeordneten Verbrauchers 3a bzw. 3b. Insbesondere dann, wenn die Leistungsaufnahme eines der oder beider Verbraucher 3a und 3b deutlich schwankt, kann es zu Rückkopplungen bzw. zu Belastungsschwankungen im Fahrzeugbordnetz kommen, die der von dem Energiespeicher 2 gelieferten Gleichspannungskomponente V_DC der im Fahrzeugbordnetz auftretenden Spannung eine Rippelspannungskomponente V_AC, also eine Wechselspannungskomponente, überlagern. Dies ist beispielhaft im oberen Bereich der 1 in Form eines Spannungs-Zeit (t) Diagramms dargestellt.
Als Mittel zur Reduktion der Rippelspannungskomponente V_AC kann optional - wie dargestellt - zwischen den beiden Polen des Fahrzeugbordnetzes eine auch oft als Zwischenkreiskapazität bezeichnete Kapazität C_ZK geschaltet sein, die zur Dämpfung bzw. zum Kurzschluss von Wechselspannungskomponenten der Spannung des Fahrzeugbordnetzes dient. Während eine solche Lösung zwar eine Reduktion von Rippelspannungskomponenten bewirken kann, hat sie zumindest den Nachteil, dass es aufgrund der Rippelspannungskomponente fortlaufend zu Lade- bzw. Entladevorgängen der Kapazität C_ZK kommt, die sowohl deren Alterung und somit Haltbarkeit negativ beeinflussen, als auch zu den bereits vorausgehend genannten Nachteilen, zu Beispiel Hinblick auf elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), führen können.
2 zeigt eine demgegenüber modifizierte Form eines Fahrzeugbordnetzes 1, gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind die beiden Verbraucher 3a und 3b hier beispielhaft als Traktionsmotoren eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, also als besonders leistungsstarke Verbraucher mit deutlich wechselnden Belastungszyklen, gewählt. Die Zwischenkreiskapazität C_ZK kann entfallen - wie dargestellt - oder aber zusätzlich vorhanden sein, wobei sie dann gegenüber dem Fall aus 1 insbesondere kleiner ausgelegt werden kann. Die beiden Wechselrichter 4a und 4b sind getaktete Wechselrichter und werden mittels eines Taktgebers 6 jeweils mit einem zugeordneten Taktsignal T₁ bzw. T₂ versorgt. Zusätzlich ist eine Spannungsmessvorrichtung 7 vorgesehen. Sie ist zwischen die beiden Pole des Fahrzeugbordnetzes 1 geschaltet und misst die an den Versorgungsleitungen 5 auftretende Wechselspannungskomponente, insbesondere deren Spitze-Spitze-Spannungswert V_PP, und überträgt über ein Messkabel 8 an den Taktgeber 6 ein der Messung entsprechendes Messsignal. Der Taktgeber 6 ist eingerichtet, mittels einer Regelung die Phasen der beiden Taktsignale T₁ und T₂ in Abhängigkeit von dem als rückgeführte Regelgröße dienenden Messsignal den Phasenunterschied zwischen den beiden Taktsignalen T₁ und T₂ so zu regeln, dass sich dabei eine minimale Rippelspannungskomponente V_AC im Fahrzeugbordnetz 1 bzw. an dessen Versorgungsleitungen 5 ergibt, oder aber jedenfalls diese Rippelspannungskomponente V_AC unter einer vorbestimmten Schwellenspannung V_TH gehalten wird, die sich insbesondere auf den Spitze-Spitze-Spannungswert V_PP beziehen kann.
In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform für die Spannungsmessvorrichtung 7 aus 2 gezeigt. Dabei handelt es sich um eine Analogschaltung, die auch für hohe Frequenzen, insbesondere auch oberhalb von 10 kHz, zum Einsatz kommen kann.
Die Spannungsmessvorrichtung 7 weist einen als Wechselspannungskopplungsglied wirkenden Transformator bzw. Übertrager TF auf, dessen Primärseite an die beiden Pole des Fahrzeugbordnetzes 1, bzw. dessen Versorgungsleitungen 5 gekoppelt werden kann, um die daran anliegende Spannung V an die Sekundärseite zu übertragen. Dabei dient ein Widerstand R zur Vermeidung eines Kurzschlusses für eine Gleichspannungskomponente der Netzspannung V. Auf der Sekundärseite ist ein aus einer Filterkapazität C und einer parallel dazu geschalteten Filterinduktivität L gebildeter Frequenzfilter vorgesehen, der als Passbandfilter wirkt. Die Werte von L und C ist dabei so gewählt, dass die dominante Frequenz der Rippelspannungskomponente V_AC, die wiederum durch die Frequenzen der Taktsignale T₁ und T₂ bedingt ist, in das entsprechende Passband des Frequenzfilters fällt, insbesondere zumindest im Wesentlichen dessen Zentralfrequenz entspricht. Der Transformator TF wirkt dabei als Gleichspannungssperre und der Frequenzfilter dämpft der Versorgungsspannung V überlagerte Störungen, die sich signifikant von der Frequenz der dominanten Rippelspannungskomponente unterscheiden. Hinter dem Frequenzfilter ist somit die Rippelspannungskomponente V_AC mittels einer Messvorrichtung M messbar, aus der insbesondere auch deren Spitze-Spitze-Spannungswert V_PP als Messsignal bestimmt werden kann, Das über das Messkabel 8 aus 2 dem Taktgeber 6 weitergeleitet werden kann. Das Messsignal selbst kann dabei eine deutlich niedrigere Frequenz aufweisen, als die Rippelspannungskomponente selbst, so dass das Messsignal auch wieder über frequenzlimitierte Übertragungswege, insbesondere im Fahrzeug vorhandene, herkömmliche frequenzlimitierte Bussysteme übermittelt werden kann. Optional kann noch eine Gleichrichter, insbesondere wie gezeigt eine einzelne Diode D, vorgesehen sein, um die durch das Wechselspannungskopplungsglied übertragenen Rippelspannungskomponente vor ihrer Messung gleichzurichten. Der Spitze-Spitze-Spannungswert kann dann aus dem Maximum dieser gleichgerichteten Spannung abgeleitet oder diesem gleichgesetzt werden.
4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, das im Zusammenhang mit dem Fahrzeugbordnetz aus 2 verwendet werden kann. Dabei wird in einem ersten Schritt S1-1 jeder der N Wechselrichter (in 2: 4a, 4b, wobei N = 2) mit einem im jeweils zugeordneten Taktsignal (in 2: T₁ bzw. T₂) angesteuert, um ihn zu veranlassen, aus der Gleichspannung im Takt des ihm zugeordneten Taktsignals und mit der ihm zugeordneten Phasenverschiebung eine jeweilige Ausgangswechselspannung zu erzeugen. Die dabei erzeugten jeweiligen Ausgangswechselspannungen werden in einem weiteren, in der Regel gleichzeitig stattfindenden, Schritt S1-2 dem bzw. den jeweils dem Wechselrichter zugeordneten der Verbraucher (in 2: 3a bzw. 3b) zugeführt. In einem weiteren Schritt S1-3 wird eine der Gleichspannung V_DC überlagerte Rippelspannungskomponente V_AC gemessen und in einem weiteren Schritt S1-4 wird anhand der Messerergebnisse der Spitze-Spitze-Spannungswert V_PP der Rippelspannungskomponente bestimmt. Sodann erfolgt in einem weiteren Schritt S1-5 eine Prüfung daraufhin, ob der Spitze-Spitze-Spannungswert V_PP unterhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung V_TH liegt. Ist dies nicht der Fall (S1-5; „nein“), so kehrt das Verfahren zum Schritt S1-1 für einen weiteren Verfahrenszyklus zurück. Andernfalls (S1-5; „ja“) wird die Phasenverschiebung zwischen den Taktsignalen durch Änderung der Phase des Taktsignals für wenigstens einen der Wechselrichter variiert bzw. angepasst, insbesondere durch Hinzufügen eines vorbestimmten Phasenschritts, und sodann zum Schritt S1-1 für einen weiteren Verfahrenszyklus, der mit der nunmehr veränderten Phasenverschiebung durchgeführt wird, zurückgekehrt.
5 zeigt ein Fahrzeugbordnetz gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Wiederum sind dabei, wie in 2, Traktionsmotoren als Verbraucher 3a und 3b vorgesehen. Der Taktgeber 6 ist im Gegensatz zu 2 jedoch als Teil eines ersten Wechselrichters 4a ausgebildet und er liefert anders als bei der Lösung aus 2 keine individuellen Taktsignale T₁ bzw. T₂ an die Wechselrichter 4a bzw. 4b, sondern stattdessen ein demgegenüber niederfrequentes Ausgangstaktsignal T_A, das über einen Bus 9 an alle Wechselrichter 4a und 4b übertragen und für alle Wechselrichter gleich ist. Dabei ist die Frequenz des Ausgangstaktsignals T_A so niedrig gewählt, dass es über einen herkömmlichen Fahrzeugbus, insbesondere einen Bus vom Typ CAN, LIN oder Flexray übertragbar ist. Der erste Wechselrichter 4a empfängt somit das Ausgangstaktsignal T_A, das er mittels seines Taktgebers 6 zunächst selbst erzeugt hatte, wie alle anderen Wechselrichter auch, von dem Bus („Readback“). Die einzelnen Wechselrichter 4a und 4b leiten daraufhin aus dem empfangenen Ausgangstaktsignal T_A jeweils ein individuelles Taktsignal T₁ bzw. T₂ ab, das wiederum eine deutlich höhere - aber für alle Wechselrichter zumindest im Wesentliche gleiche - Frequenz aufweisen kann als das Ausgangstaktsignal T_A. Zudem wird wenigstens eines dieser Taktsignale T₁ bzw. T₂ so erzeugt, dass es gegenüber dem Ausgangstaktsignal T_A und wenigstens einem anderen der individuellen Taktsignale der Wechselrichter eine Phasenverschiebung aufweist. Im Falle von N = 2, liegt diese Phasenverschiebung bevorzugt bei oder in der Nähe von 180°. Dies kann insbesondere so implementiert werden, dass jeder der Wechselrichter vorab so konfiguriert ist, dass er beim Ableiten seines eigenen Taktsignals T₁ bzw. T₂ aus dem Ausgangstaktsignal T_A, gegebenenfalls neben einer Frequenzänderung, eine individuelle vorbestimmte Phasenverschiebung gegenüber dem Ausgangstaktsignal T_A vornimmt.
Ein zugehöriges Verfahren ist in 6 in Form eines Flussdiagramms veranschaulicht. Dabei wird in einem ersten Schritt S2-1 ein Ausgangstaktsignal T_A mit einer bestimmten Taktfrequenz erzeugt. Dieses Ausgangstaktsignal T_A wird in einem weiteren Schritt S2-2 jedem der Wechselrichter im Fahrzeugbordnetz 1 zugeführt, was insbesondere über einen Fahrzeugbus erfolgen kann, wie vorausgehend beschrieben. In einem weiteren Schritt S2-3 leitet jeder Wechselrichter aus dem Ausgangstaktsignal ein ihn zugeordnetes Taktsignal ab. Dabei fügt zumindest einer der Wechselrichter dem Ausgangstaktsignal T_A eine vorbestimmte Phasenverschiebung hinzu, um ein ihm zugeordnetes und gegenüber dem Taktsignal wenigstens eines anderen der Wechselrichter phasenverschobenes Taktsignal T₁ bzw. T₂ zu erhalten. Schließlich erfolgt in einem weiteren Schritt S2-4 ein Umrichten der Gleichspannung durch die Wechselrichter, jeweils gemäß ihrem jeweils zugeordneten Taktsignal. Die dabei erzeugten jeweiligen Ausgangswechselspannungen werden dem bzw. die dem jeweiligen Wechselrichter zugeordneten Verbraucher zugeführt. Aufgrund der somit erzeugten Phasenverschiebung ist sie sich durch Überlagerung der von den Wechselrichtern bzw. den Verbrauchern generierten Rückkopplungen in das Fahrzeugbordnetz gegebenenfalls ergebende Rippelspannungskomponente im Fahrzeugbordnetz gegenüber einem Ausgangsfall, bei dem das Verfahren nicht zum Einsatz kommt, reduziert, oder sogar weitgehend verschwunden.
7 zeigt dazu exemplarisch zum Zwecke der Veranschaulichung Simulationsergebnisse, die bei einer Simulation eines Fahrzeugbordnetzes 1 gemäß 5 erhalten wurden. Dabei ist im oberen Diagramm der sich ergebende zeitliche Verlauf des Batteriestroms im Fahrzeugbordnetz, einerseits für den Fall, dass die Phasenverschiebung zwischen den beiden individuellen Taktsignalen der beiden Wechselrichter 180° beträgt (dicke Linie), und andererseits für den Fall ohne Phasenverschiebung (dünne Linie) dargestellt. Auf gleiche Weise ist die unteren Diagramm der zeitliche Verlauf der zugehörigen Batteriespannung im Fahrzeugbordnetz, ebenfalls wieder für die beiden vorgenannten Fälle, dargestellt. Deutlich ist in beiden Diagrammen erkennbar, dass die Amplituden, insbesondere deren Spitze-Spitze-Spannungswerte, für den Fall der Phasenverschiebung um 180° signifikant geringer sind, als die für den Fall ohne Phasenverschiebung.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zu Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Fahrzeugbordnetz
2: elektrische Energiespeicher, insbesondere Hochvolt-Batterie
3a, b: elektrische Verbraucher
4a, b: Wechselrichter
5: Versorgungsleitungen
6: Taktgeber
7: Messanordnung
8: Messkabel
9: Bussystem
V: Versorgungsspannung, bzw. Spannung des Fahrzeugbordnetzes
VDC: Gleichspannungskomponente von V
VAC: Rippelspannungskomponente von V
VPP: Spitze-Spitze-Spannungswert
VTH: Schwellenspannung
t: Zeit
CZK: Zwischenkreiskapazität
T1, T2: individuelle Taktsignale für die Wechselrichter
TA: Ausgangstaktsignal
C: Filterkapazität
L: Filterinduktivität
TF: Transformator, insbesondere Übertrager
R: ohmscher Widerstand
D: Diode

Claims

Verfahren zur Reduktion von Rippelspannungen und/oder Rippelströmen in einem mittels einer Gleichspannung (V_DC) versorgten elektrischen Fahrzeugbordnetz (1), das eine Mehrzahl N von Wechselrichtern (4a, 4b) mit daran ausgangsseitig angeschlossenen elektrischen Verbrauchern (3a, 3b) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen, mittels der N Wechselrichter, je einer oder mehrerer Ausgangsspannungen und/oder Ausgangsströme zur Versorgung der Verbraucher (3a, 3b), wozu jeder der Wechselrichter (4a, 4b) die Gleichspannung (V_DC) bzw. einen dadurch gespeisten Strom durch Schalten von elektronischen Schaltelementen zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten elektrischen Zustand periodisch im Takt von jeweils einem in Tastperioden angeordneten Taktsignal (T₁; T₂) moduliert, so dass jeder der Wechselrichter (4a, 4b) eine dem Kehrwert der Dauer einer Tastperiode seines Taktsignals (T₁, T₂) entsprechende Taktfrequenz aufweist; und Konfigurieren der Tastperioden und Phasen der N Taktsignale (T₁, T₂) so, dass die resultierenden Taktfrequenzen der wenigstens zwei Wechselrichter (4a, 4b) zumindest im Wesentlichen übereinstimmen und ihre Tastperioden in der Phase um einen vorbestimmten Phasenverschiebungswert gegeneinander verschoben sind, wobei das Konfigurieren der Phasen die folgenden Schritte aufweist: Wiederholtes Messen einer der Gleichspannung überlagerten Rippelspannungskomponente (V_AC) zur Bestimmung eines eine Amplitude der der Rippelspannungskomponente (V_AC) kennzeichnenden Messwertes ; und Festlegen des vorbestimmten Phasenverschiebungswerts durch Regeln der Phasenverschiebung zwischen den Taktsignalen (T₁, T₂) auf solche Weise, dass dadurch der Messwert der Rippelspannungskomponente (V_AC) unterhalb einer vorbestimmten Schwelle (V_TH) gehalten oder minimiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Konfigurieren der Phasen die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen eines Ausgangstaktsignals (T_A) mit einer bestimmten Taktfrequenz; Zuführen des Ausgangstaktsignals (T_A) an die N Wechselrichter (4a, 4b); und Ableiten, jeweils aus dem Ausgangstaktsignal (T_A), eines ihm zugeordneten Taktsignals (T₁, T₂) durch jeden der N Wechselrichter (4a, 4b), wobei zumindest einer der N Wechselrichter (4a, 4b) dem Ausgangssignal (T_A) eine vorbestimmte Phasenverschiebung hinzufügt, um ein ihm zugeordnetes und gegenüber dem Taktsignal wenigstens eines anderen der N Wechselrichter phasenverschobenes Taktsignal (T₁, T₂) zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Ausgangstaktsignal (T_A) von einem der N Wechselrichter (4a) erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der das Ausgangstaktsignal (T_A) erzeugende Wechselrichter (4a) dieses mittels eines Bussystems (9) an die anderen der N Wechselrichter (4b) übermittelt.
Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Konfigurieren der Phasen der N Taktsignale (T₁, T₂) so erfolgt, dass die Phasen von zwei der N Taktsignale (T₁, T₂) zueinander gegenläufig gewählt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Konfigurieren der Phasen der N Taktsignale (T₁, T₂) so erfolgt, dass je zwei der N Wechselrichter (4a, 4b) ein Paar bilden und die Phasen der beiden Taktsignale (T₁, T₂) innerhalb jedes Paars gegenläufig gewählt werden.
Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei N gleich 2 ist.
Elektrisches Fahrzeugbordnetz (1) mit einer Mehrzahl N von Wechselrichtern (4a, 4b) und daran ausgangsseitig angeschlossenen elektrischen Verbrauchern (3a, 3b), wobei das Fahrzeugbordnetz (1) eingerichtet ist, mittels einer Gleichspannung (V_DC) versorgt zu werden und das Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche auszuführen, wobei das Fahrzeugbordnetz (1) eine Messanordnung (7) zum Messen einer der Gleichspannung (V_DC) überlagerten Rippelspannungskomponente (V_AC) aufweist, wobei das Fahrzeugbordnetz ferner aufweist: einen Taktgeber (6), der eingerichtet ist: von der Messanordnung (7) wiederholt eine Amplitude der Rippelspannungskomponente (VAC) kennzeichnenden Messsignale zu empfangen; jeweils ein individuelles Taktsignal (T1, T2) an jeden der N Wechselrichter (4a, 4b) auszugeben und dabei die Phasenverschiebung zwischen den Taktsignalen (T1, T2) auf solche Weise zu regeln, dass dadurch der Messwert der Rippelspannungskomponente (VAC) unterhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung (VTH) gehalten oder minimiert wird.
Fahrzeugbordnetz (1) gemäß Anspruch 8, wobei die Messanordnung (7) aufweist: eine Messvorrichtung (M) zur Spannungsmessung; ein Wechselspannungskoppelglied (TF), das an die Gleichspannungsversorgung (5) des Fahrzeugbordnetzes (1) gekoppelt und konfiguriert ist, eine der Gleichspannung (V_DC) überlagerte Rippelspannungskomponente (V_AC) zu übertragen und dabei gleichzeitig eine galvanische Trennung gegenüber der Gleichspannung (V_DC) zu bewirken; und ein zwischen das Wechselspannungskopplungsglied (TF) und die Messvorrichtung (M) geschaltetes Frequenzfilter (L, C), das konfiguriert ist, die Rippelspannungskomponente (V_AC) selektiv in einem als Durchlassbereich wirkenden Frequenzband, in dem die zumindest im Wesentlichen übereinstimmenden Taktfrequenzen der N Wechselrichter liegen, an die Messvorrichtung (M) zu übertragen.
Fahrzeugbordnetz (1) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9 , des Weiteren aufweisend: einen Taktgeber (6), der eingerichtet ist ein Ausgangstaktsignal (T_A) mit einer bestimmten Taktfrequenz zu erzeugen und dieses den N Wechselrichtern (4a, 4b) zuzuführen; wobei jeder der N Wechselrichter (4a, 4b) eingerichtet ist, aus dem zugeführten Ausgangstaktsignal (T_A) ein ihm zugeordnetes Taktsignal abzuleiten, und zumindest einer der N Wechselrichter (4a, 4b) eingerichtet ist, dabei dem Ausgangssignal (T_A) eine Phasenverschiebung hinzuzufügen, um ein ihm zugeordnetes und gegenüber dem Taktsignal wenigstens eines anderen der N Wechselrichter (4a, 4b) um einen vorbestimmten Phasenverschiebungswert phasenverschobenes Taktsignal zu erhalten.
Fahrzeugbordnetz gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei wenigstens zwei der Verbraucher (3a, 3b) elektrische Traktionsmotoren zum Antrieb eines Fahrzeugs sind.