DE102019133237A1

DE102019133237A1 - Störungsunterdrückung in einem Stromversorgungsnetz eines Fahrzeugs mittels steuerbarem Widerstand

Info

Publication number: DE102019133237A1
Application number: DE102019133237.0A
Authority: DE
Inventors: Peter OLBRICH; Bastian Arndt
Original assignee: AVL Software and Functions GmbH
Current assignee: AVL Software and Functions GmbH
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwingungen in einem Stromversorgungsnetz eines Elektrofahrzeugs.Um in einem Stromversorgungsnetz eines Fahrzeugs durch Schaltvorgänge oder Lastwechselvorgänge angeregte Schwingungen zu dämpfen wird vorgeschlagen, dass zwischen zwei Leitungen des Stromversorgungsnetzes ein schaltbarer Widerstand galvanisch getrennt angeordnet wird, wobei der steuerbare Widerstand als frequenzabhängiger Widerstand ausgebildet ist, indem durch einen mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes verbundenen Filter frequenzabhängig Schwingungen detektiert werden und der ohmsche Widerstand des schaltbaren Widerstands entsprechend der detektierten Schwingungen reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen in einem Stromversorgungsnetz eines Fahrzeugs gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2014 015 309 A1 ist eine Vorrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers mit einem konstanten Strom bekannt. Dazu wird ein Transistor als Konstantstromquelle geschaltet. Um störende Modulationssignale zu entkoppeln, ist vorgesehen, dass der Transistor in Form einer virtuellen Drossel betrieben wird. Über die virtuelle Drossel wird der Widerstand für die Wechselspannungsanteile der aufmodulierten Störungen erhöht, sodass sich im Ergebnis eine Modulationsspannungsentkopplung im Fahrzeug ergibt.
In der DE 10 2011 079 082 A1 ist eine Spannungswandlerschaltung für elektrische Fahrzeuge bekannt. Über den Spannungswandler wird beispielsweise ein Antriebssystem für Elektrofahrzeuge mit einem Traktionsmotor mit elektrischer Energie versorgt. Um ein zu starkes Absinken der Ausgangsspannung bei hohen Lasten zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass ein gesteuerter Schalter vorgesehen ist, um den Ausgang der Schaltung direkt mit dem Eingang, also mit der Stromquelle, zu verbinden.
In der Praxis werden bei Elektrofahrzeugen komplexe Stromverteilungssysteme eingesetzt. Dabei sind verschiedene Schaltkreise für unterschiedliche Verbraucher vorgesehen. Aufgrund der beim Einbau solcher Stromverteilungssysteme in einer realen Umgebung zwangsläufig auftretenden Induktivitäten und Kapazitäten besitzen diese Stromverteilungsnetze eine gewisse Eigenresonanz. Diese Eigenresonanz verändert sich mit dem Zuschalten oder Abschalten einzelner Steuerkreise oder durch ein Verbinden des Stromverteilungssystems mit externen Stromquellen. Über Schaltvorgänge in dem Stromverteilungssystem können unerwünschte gedämpfte Schwingungen angeregt werden, die, sollten diese Schwingungen im Bereich der Eigenresonanz des Stromverteilungsnetzes auftreten, zu sehr hohen Überspannungen führen können. Ein Unterdrücken solcher Spannungsspitzen erfordert den Einsatz entsprechend schnell reagierender Spannungsregelschaltungen. Auch über aktive Filter können solche Schwingungen der Stromverteilungssysteme unterdrückt werden. Diese Lösungen sind von der Schaltungstechnik her sehr aufwändig und greifen spätestens dann ins Leere, wenn sich durch Ein- oder Abschalten von Schaltkreisen die Eigenresonanzfrequenz des Spannungsversorgungsystems ändert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf konstruktiv einfache Art und Weise solche Störungen in einem Stromversorgungsnetz eines Fahrzeugs zu unterdrücken. Insbesondere soll die Störungsunterdrückung kostengünstig zu realisieren und vorzugsweise auf relativ kleinem Bauraum möglich sein. Auch bei sich ändernden Einbaubedingungen oder Eigenresonanzfrequenzen des Stromversorgungssystems soll eine gute Störungsunterdrückung bewirkt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Unterdrückung von durch Schaltvorgänge oder Lastwechsel angeregten Schwingungen in einem Stromversorgungsnetz gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen in einem wenigstens zwei Leitungen umfassenden Stromversorgungsnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst ein Filter, das mit einer ersten Leitung des Stromversorgungsnetzes verbunden ist, um unerwünschte Schwingungen abzugreifen, sowie einen steuerbaren Widerstand, der über einen Kondensator oder einen induktiven Übertrager zwischen der ersten Leitung des Stromversorgungsnetzes und entweder einer weiteren Leitung des Stromversorgungsnetzes oder einem Massepotenzial oder einem negativen oder positiven Bezugspotenzial geschaltet ist. Wesentlich dabei ist, dass das Filter derart ausgebildet und mit dem steuerbaren Widerstand verbunden ist, dass das Filter bei Auftreten von unerwünschten Schwingungen den ohmschen Widerstand des steuerbaren Widerstands verkleinert.
Von Vorteil ist, dass durch den steuerbaren Widerstand eventuell auftretende unerwünschte Schwingungen in dem Stromversorgungsnetz wirkungsvoll gedämpft werden. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass durch die Verwendung eines steuerbaren Widerstands, dessen Charakteristik über ein Filter derart festgelegt wird, dass der Widerstand nicht in dem für eine Energieübertragung erforderlichen Frequenzbereich wirksam ist, sondern erst in einem Frequenzbereich wirksam wird, in dem üblicherweise mit Störungen zu rechnen ist. Insbesondere beeinträchtigt der steuerbare Widerstand eine Energieübertragung in dem Stromversorgungsnetz nicht.
Ein weiterer Vorteil ist, dass durch den steuerbaren Widerstand die Güte etwaiger Eigenresonanzen des Stromversorgungsnetzes reduziert wird, wodurch dann im Ergebnis ebenfalls eine Reduktion von auftretenden Spannungsspitzen erzielt wird. Diese Wirkung des steuerbaren Widerstandes erstreckt sich über einen sehr breiten Frequenzbereich und ist daher nicht, wie beispielsweise bei einem aktiven Filter, auf eine bestimmte Frequenz beschränkt. Das heißt, auch wenn sich infolge von Zu- oder Abschaltungen einzelner Stromkreise des Stromversorgungsnetzes die Resonanzfrequenz desselben verschieben sollte, beeinträchtigt diese Frequenzverschiebung die Wirkung hinsichtlich der Störungsunterdrückung nicht.
Bei dem Stromversorgungsnetz kann es sich um ein Gleichspannungsnetz oder ein Wechselspannungsnetz oder ein Mehrphasennetz handeln. Die wenigstens zwei Leitungen des Stromversorgungsnetzes können beispielsweise eine Plus- und Minusleitung eines Gleichspannungsnetzes sein. Es kann sich jedoch auch um einen Phasen- und einen Nullleiter eines Wechselspannungsnetzes handeln, oder um Leitungen eines Mehrphasennetzes.
Von Vorteil ist, dass der steuerbare Widerstand über einen Kondensator oder einen Übertrager galvanisch von dem Stromversorgungsnetz getrennt ist. Dadurch kann die in dem steuerbaren Widerstand auftretende Verlustleistung sehr klein gehalten werden. Auch ist ein Einsatz der Vorrichtung, bzw. des Verfahrens bei Hochspannungsnetzen möglich. Vorzugsweise kann das Stromversorgungsnetz ein Hochspannungsnetz sein, das heißt Spannungen vom mehr als 60 V oder 120 V oder 400 V aufweisen.
Vorzugsweise wird über den steuerbaren Widerstand ein frequenzabhängiger und/oder schwingungsabhängiger ohmscher Widerstand ausgebildet. Der steuerbare Widerstand bildet für die entsprechenden Störschwingungen einen ohmschen Widerstand aus, indem die entsprechenden Leitungen des Stromversorgungsnetzes über den ohmschen Widerstand auf ein Massepotential oder eine weitere Leitung des Stromversorgungsnetzes oder einem negativen oder positiven Bezugspotential gezogen wird. Das heißt, bei Auftreten von Schwingungen wirkt auf das Stromversorgungsnetz durch den steuerbaren Widerstand ein zusätzlicher ohmscher Widerstand, um diese Schwingungen zu dämpfen, insbesondere in Wärmeenergie zu verwandeln. Das negative oder positive Bezugspotential kann in diesem Zusammenhang eine weitere Spannungsebene sein, die beispielsweise um +/- 12 Volt oder +/-24 V oberhalb, bzw. unterhalb des Mittelpotentials der Leitung des Stromversorgungsnetzes liegt.
Insbesondere ist das Filter derart ausgebildet, dass im Falle eines Normalbetriebes, also ohne Störungen auf dem Stromversorgungsnetz, der steuerbare ohmsche Widerstand einen hohen Widerstandswert aufweist. Insbesondere ist der hohe Widerstandswert im Normalfall so bemessen, dass durch diesen keine Beeinflussung des Stromversorgungsnetztes erfolgt.
In einer Ausgestaltung kann das Filter als ein Hochpassfilter oder als ein Bandpassfilter ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Filter eine Impedanzwandlerfunktion beinhaltet, das heißt, dass das Filter einen hohen Eingangswiderstand aufweist und das Stromversorgungsnetz möglichst wenig beeinträchtigt. Über den Hochpass oder den Bandpass können Schwingungen detektiert werden, die auf der Leitung des Stromversorgungsnetzes auftreten. Bei Auftreten solcher Schwingungen steuert dann das Filter den steuerbaren Widerstand derart an, dass dessen ohmscher Wert verringert wird. Der Frequenzbereich des Hochpassfilters oder Bandpassfilters wird insbesondere derart festgelegt, dass die Frequenz der zu erwartenden Störungen, bzw. Schwingungen in diesen Frequenzbereich fällt.
In einer Ausgestaltung kann entsprechend vorgesehen sein, dass das Filter derart ausgestaltet ist, dass der steuerbare Widerstand als ein frequenzabhängiger steuerbarer ohmscher Widerstand ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Unterdrückung von durch Schaltvorgänge oder Lastwechsel angeregten Schwingungen in einem Stromversorgungsnetz eines Fahrzeugs, insbesondere Elektrofahrzeugs, vorgesehen, wobei das Stromversorgungsnetz eine Stromquelle sowie wenigstens einen schaltbaren oder schaltenden elektrischen Verbraucher umfasst, wobei über einen steuerbaren Widerstand, der galvanisch getrennt entweder mit zwei Leitungen des Stromversorgungsnetzes verbunden ist oder mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes und entweder einem Massepotenzial oder einem negativen oder positiven Bezugspotenzial verbunden ist. Wesentlich dabei ist, dass der steuerbare Widerstand als frequenzabhängiger ohmscher Widerstand ausgebildet ist, indem durch ein mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes verbundenes Filter frequenzabhängig Schwingungen detektiert werden und der ohmsche Widerstand des steuerbaren Widerstands entsprechend den detektierten Schwingungen reduziert wird.
Um eine gute Störungsunterdrückung zu bewerkstelligen, kann vorgesehen sein, dass das Filter bei Auftreten von unerwünschten Schwingungen den ohmschen Widerstand des steuerbaren Widerstands um mindestens den Faktor 10 oder den Faktor 100 oder den Faktor 1.000 oder den Faktor 10.000 verkleinert.
In einer konstruktiv einfach umzusetzenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der steuerbare Widerstand als ein steuerbarer ohmscher Widerstand ausgebildet ist, vorzugsweise dadurch, dass der steuerbare ohmsche Widerstand ein gesteuerter Halbleiter, insbesondere ein Transistor oder ein Feldeffekttransistor, ist.
Um eine symmetrische, bzw. amplitudenunabhängige Unterdrückung von Störungen zu erhalten, kann vorgesehen sein, dass der steuerbare Widerstand als steuerbarer ohmscher Widerstand ausgebildet ist, indem dieser eine Gegentaktschaltung mit Transistoren oder Feldeffekttransistoren umfasst.
Von Vorteil ist, dass der steuerbare Widerstand als ein passiver Zweipol, insbesondere ein steuerbarer passiver Zweipol ausgebildet sein kann.
Vorzugsweise kann der steuerbare Widerstand in einem reinen Zwei-Quadranten-Betrieb arbeiten und dadurch lediglich elektrische Energie vernichten. Im Gegensatz zu einem aktiven Filter, welches in einem Vier-Quadranten-Betrieb arbeitet und eine Einspeisung von Korrektursignalen erfordert, um Störungen zu unterdrücken.
In einer Ausgestaltung kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Kondensator oder der induktive Übertrager zur Verbindung des steuerbaren Widerstands mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes in Serie mit dem steuerbaren Widerstand geschaltet ist, vorzugsweise dass der Kondensator oder der induktive Übertrager in einem Kollektorkreis oder in einem Emitterkreis eines Transistors des steuerbaren ohmschen Widerstands angeordnet ist, oder dass der Kondensator oder der induktive Übertrager zur Verbindung des steuerbaren ohmschen Widerstands mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes in einem Drain-Kreis oder einem Source-Kreis eines Feldeffekttransistors des steuerbaren ohmschen Widerstands angeordnet ist.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Kondensator oder der induktive Übertrager zur Verbindung des steuerbaren ohmschen Widerstands mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes derart bemessen ist, dass in dem zu unterdrückenden Frequenzbereich der unerwünschten Schwingungen der imaginäre Anteil der Impedanz, die sich aus Serienschaltung des steuerbarem ohmschen Widerstands mit dem Kondensator oder dem induktiven Übertrager ergibt, kleiner als 10 % dessen realen Anteils oder dessen Wirkwiderstands beträgt, vorzugsweise kleiner als 1 % dessen realen Anteils oder dessen Wirkwiderstands beträgt.
Wesentlich für das Maß der Störungsunterdrückung ist der Wert des ohmschen Widerstandes, bzw. das Verhältnis zwischen dem Wert des ohmschen Widerstandes ohne Störungen und dem Wert des ohmschen Widerstandes bei Auftreten von Störungen. Durch eine Serienschaltung von steuerbarem ohmschen Widerstand mit einem Kondensator oder einem induktiven Übertrager wird eine Impedanz ausgebildet. Diese Impedanz bestimmt sich nach der Formel: $Z = R + i * X .$
Wobei gilt:

Z: Impedanz
R: Realteil
X: Imaginärteil

Für eine gute Wirkungsweise des steuerbaren ohmschen Widerstandes wird daher der Kondensator oder induktive Übertrager derart bemessen, dass der in dem relevanten Frequenzbereich wirkende Imaginärteil X möglichst klein ist. Dadurch kann die durch den Imaginärteil hervorgerufene Phasenverschiebung oder Energiespeicherung gegenüber der Wirkung des steuerbaren ohmschen Widerstandes vernachlässigt werden. Vorzugsweise ist der relevante Frequenzbereich derjenige, in dem die unerwünschten Störungen zu unterdrücken sind.
Eine Anwendung der Erfindung kann beispielsweise in einem Stromversorgungsnetz für ein Fahrzeug mit wenigstens einer Stromquelle und wenigstens einem schaltbaren oder schaltenden elektrischen Verbraucher erfolgen, wobei der elektrische Verbraucher von der Stromquelle über wenigstens zwei Leitungen mit elektrischer Energie versorgt wird und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche zwischen zwei Leitungen des Stromversorgungsnetzes oder zwischen einer Leitung des Stromversorgungsnetzes und entweder einem Massepotenzial oder einem negativen oder positiven Bezugspotenzial geschaltet ist.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Stromversorgungsnetz einen Kabelbaum mit mehreren Stichleitungen zur Versorgung von mehreren Verbrauchern und/oder zur Einspeisung von einer oder mehreren Stromquellen umfasst. Die Stichleitungen können beispielsweise einzelne zuschaltbare oder abschaltbare Schaltkreise darstellen. Diese Stichleitungen können jeweils eine unterschiedliche Länge aufweisen und in einem Fahrzeug an unterschiedlichen Stellen angeordnete Verbraucher an das Stromversorgungsnetz anschließen. Beispielsweise kann das Stromversorgungsnetz Schalter aufweisen, um einzelne Stromkreise zu schalten. Die Schalter können als einpolige Schalter oder als mehrpolige Schalter ausgebildet sein.
Für die Stromversorgung kann vorgesehen sein, dass die Stromquelle eine Batterie und/oder einen Generator und/oder eine externe Stromversorgung und/oder eine Brennstoffzelle umfasst. Das Stromversorgungsnetz kann beispielsweise eine einzige Stromquelle oder auch mehrere Stromquellen umfassen. Insbesondere kann das Stromversorgungsnetz einen Steckanschluss umfassen, um eine externe Stromquelle, bspw. ein Ladegerät, anzuschließen.
Insbesondere kann als elektrischer Verbraucher entweder ein elektrischer Verbraucher oder mehrere der elektrischen Verbraucher aus der folgenden Gruppe vorgesehen sein: elektrischer Motor, insbesondere ein Traktionsmotor, und/oder eine elektrische Heizung, insbesondere Sitzheizung, und/oder ein Spannungswandler, und/oder eine Beleuchtungseinrichtung, und/oder ein Steuergerät.
Durch die beschriebene Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird selbstverständlich auch eine Umsetzung eines Verfahrens zur Unterdrückung von Schwingungen in einem Stromversorgungsnetz erzielt.
Vorzugsweise handelt es sich bei den zu unterdrückenden Störungen oder Schwingungen um durch Schaltvorgänge oder durch Lastwechsel angeregte Schwingungen, insbesondere gedämpfte Schwingungen, des Stromversorg u ngsnetzes.
In einem Ausführungsbeispiel kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass als steuerbarer ohmscher Widerstand ein Halbleiter, vorzugsweise ein Transistor oder Feldeffekttransistor, eingesetzt wird, der zur galvanischen Trennung über einen in Serie geschalteten Kondensator oder induktiven Übertrager mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes verbunden wird, wobei der Kondensator oder induktive Übertrager derart bemessen wird, dass der aus der Serienschaltung resultierende imaginäre Anteil der Impedanz in dem zu unterdrückenden Frequenzbereich kleiner als 10 % des realen ohmschen Anteils oder des Wirkwiderstands beträgt, vorzugsweise kleiner als 1 % des realen ohmschen Anteils oder des Wirkwiderstands beträgt.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass bei dem steuerbaren Widerstand der ohmsche Widerstand durch Variieren eines Basisstroms oder einer Gate-Spannung oder durch periodisches Schalten eines Halbleiters gesteuert wird.
Beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläutert. Dabei zeigen:

1a: Einen schematischen Aufbau eines Hochvoltsystems mit Filter und steuerbarem Widerstand gemäß einem Anwendungsbeispiel der Erfindung;
1b: Frequenzgang der Spannungsmessung an den ersten und zweiten Messpunkten im Hochvoltsystem der 1;
2a: Ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Filters mit steuerbarem Widerstand;
2b: Spannungsmessung mit ein- und ausgeschaltetem Filter mit steuerbarem Widerstand aus 2a;
3: Prinzip Schaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Filters mit steuerbarem Widerstand;

Die 1a zeigt einen schematischen Aufbau eines Stromverteilungssystems, wie es beispielsweise bei einem Elektrofahrzeug verwendet werden kann. Die Schaltungsanordnung weist eine Batterie 1 auf, welche über Leitungen 10 und einem Hochvolt-Kabelbaum 2 mit mehreren Verbrauchern, beispielsweise einer Leistungselektronik mit elektrischem Motor 3, insbesondere ein Traktionsmotor, einer elektrischen Heizung 4, insbesondere Sitzheizung, einem Spannungswandler 5, einer integrierten Ladeelektronik 6 und einem Steuergerät 7 verbunden ist. Es kann vorgesehen sein, dass weitere Verbraucher oder weniger Verbraucher oder andere Verbraucher in der Schaltungsanordnung vorgesehen sind.
In der 1a ist zwischen der Batterie 1, bzw. dem Kabelbaum 2 und dem elektrischen Motor 3 eine Vorrichtung zur Störungsunterdrückung 8 angeordnet, vorzugsweise kann die Störungsunterdrückung 8 mit einem Filter 81 (nicht gezeigt in 1a) und mit einem steuerbarer Widerstand 82 (nicht gezeigt in 1a) ausgebildet sein. Es ist auch möglich, die Störunterdrückung 8, vorzugsweise mit Filter 81 (nicht gezeigt in 1a) und mit steuerbarem Widerstand 82 (nicht gezeigt in 1a) alternativ oder ergänzend vor jedem anderen Verbraucher anzuordnen oder jedem Verbraucher einen eigenen Filter mit steuerbarem Widerstand 82 zuzuordnen, so dass jeweils ein Filter mit steuerbarem Widerstand 82 jedem Verbraucher oder einigen der Verbraucher vorgeschalten ist. Der Filter mit steuerbarem Widerstand 82 ist zwischen der ersten Leitung des Stromversorgungsnetzes und entweder einer weiteren Leitung des Stromversorgungsnetzes oder einem Massepotenzial oder einem negativen oder positiven Bezugspotenzial geschaltet.
Weiter sind in der 1a die Bereiche der ersten Messpunkte 30 und zweiten Messpunkte 31 schematisch dargestellt, an denen die Spannung zwischen einer ersten Leitung des Stromversorgungsnetzes und entweder einer weiteren Leitung des Stromversorgungsnetzes oder einem Massepotenzial oder einem negativen oder positiven Bezugspotenzial gemessen werden kann. Die ersten Messpunkte 30 sind an einer Stelle zwischen der Vorrichtung zur Störungsunterdrückung 8, bzw. dem Filter 81 mit steuerbarem Widerstand 82 und einem Verbraucher, in 1a und 1b beispielsweise der Leistungselektronik mit elektrischem Motor 3, ausgebildet. Die zweiten Messpunkte 31 sind zwischen der Batterie 1, bzw. dem Kabelbaum 2, und einem Verbraucher, in 1a und 1b beispielsweise der integrierten Ladeelektronik 6, ausgebildet, wobei hier kein Filter 81 mit steuerbarem Widerstand 82 zwischen dem Verbraucher und der Batterie angeordnet ist.
In 1b sind Spannungsmessungen an den ersten Messpunkten 30 und den zweiten Messpunkten 31 in Abhängigkeit der Frequenz, welche in einem Stromverteilungssystem auftreten können, dargestellt. Zum einen weisen die Kabel 10, bzw. des Kabelbaums 2, in 1a eine entsprechende Länge auf und besitzen dadurch eine bestimmte Induktivität, welche sich durch die Kabellänge und auch die Kabelverlegung ergibt. Zum anderen besitzen Stromverteilungsnetze aufgrund der beim Einbau solcher Stromverteilungssysteme in einer realen Umgebung zwangläufig auftretenden Induktivitäten und parasitären Kapazitäten eine gewisse Eigenresonanz. Diese Eigenresonanz kann sich mit dem Zuschalten oder Abschalten einzelner Steuerkreise oder Verbraucher oder durch ein Verbinden des Stromverteilungssystems mit externen Stromquellen ändern. Über Schaltvorgänge in dem Stromverteilungssystem können unerwünschte gedämpfte Schwingungen angeregt werden, die, sollten diese Schwingungen im Bereich der Eigenresonanz des Stromverteilungsnetzes auftreten, zu sehr hohen Überspannungen führen können. Eine solche frequenzabhängige Überspannung ist in 1b zwischen den zweiten Messpunkten 31 mit einer Eigenresonanz bei ungefähr 19 KHz dargestellt. In 1b ist weiter das Spannungsverhalten des Stromverteilungsnetzes an den ersten Messpunkten 30 dargestellt, welcher durch den schaltbaren Widerstand 82 die Spannungserhöhungen unterdrückt. Wesentlich dabei ist, dass die Vorrichtung zur Störungsunterdrückung 8 derart ausgebildet ist, dass der Filter 81 mit dem steuerbaren Widerstand 82 derart verbunden ist, dass der Filter 81 bei Auftreten von unerwünschten Schwingungen den ohmschen Widerstand des steuerbaren Widerstands 82 verkleinert.
Über den steuerbaren Widerstand 82 wird ein frequenzabhängiger und/oder amplitudenabhängiger und/oder schwingungsabhängiger ohmscher Widerstand ausgebildet. Der steuerbare Widerstand 82 bildet für die entsprechenden Störschwingungen einen ohmschen Widerstand aus, indem die entsprechenden Leitungen des Stromversorgungsnetzes über den ohmschen Widerstand auf ein Massepotential oder eine weitere Leitung des Stromversorgungsnetzes oder einem negativen oder positiven Bezugspotential gezogen wird. Das heißt bei Auftreten von Schwingungen wirkt auf das Stromversorgungsnetz durch den steuerbaren Widerstand 82 ein zusätzlicher ohmscher Widerstand, um diese Schwingungen zu dämpfen, insbesondere in Wärmeenergie zu verwandeln. Das negative oder positive Bezugspotential kann in diesem Zusammenhang eine weitere Spannungsebene sein, die beispielsweise um +/- 12 Volt oder +/-24 V oberhalb, bzw. unterhalb des Mittelpotentials der Leitung des Stromversorgungsnetzes liegt.
2a zeigt eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Störungsunterdrückung 8 mit Filter 81 und steuerbarem Widerstand 82. Dazu weist die Schaltung als Filter 81 einen Hochpass aus einem Kondensator 21 und einem Widerstand 22 auf sowie als steuerbaren Widerstand 82 einer Spannungsquelle 24, einem Differenzverstärker 25 und einem variablen Halbleiter 23, welcher im linearen Bereich betrieben wird. Die galvanische Trennung des schaltbaren Widerstands 82 mit der Hochvoltleitung 10 wird über einen Kondensator 21 (in 2a rechter Kondensator 21) erreicht. Dieser Kondensator 21 stellt einen Entkoppelkondensator dar, damit kein DC Strom in der Vorrichtung zur Störungsunterdrückung 8 vorhanden ist. Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der 2a stellt eine einpolige Glättung der Überspannung dar, da der Filter 81 mit steuerbarem Widerstand 82 gegen Masse wirkt. Diese Glättung der Überspannung wird in der 2b in einem Zeit-Spannungsdiagram dargestellt, wobei die Messung bei ausgeschalteter Vorrichtung zur Störungsunterdrückung 8, bzw. bei ausgeschaltetem Filter 81 mit steuerbarem Widerstand 82 große Spannungsschwankungen zeigt, und bei einer Messung mit eingeschalteter Vorrichtung zur Störungsunterdrückung 8, bzw. bei eingeschaltetem Filter 81 mit steuerbarem Widerstand 82 die deutlich kleineren Spannungsschwankungen gemessen werden.
In der 3 ist ein Prinzip-Schaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Störungsunterdrückung 8, bzw. des Filters 81 mit steuerbarem Widerstand 82 dargestellt. In der 3 ist der Filter 81 ausgebildet als ein Hochpass umfassend den Kondensator 21 und den Emitterwiderstand 22 des Transistors T1. Der steuerbare Widerstand 82 ist als gesteuerter Halbleiter umfassend die Transistoren T2 und T3 ausgebildet. Der steuerbare Widerstand 82 ist als Gegentaktschaltung mit Transistoren oder Feldeffekttransistoren ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt der steuerbare Widerstand 82 sowohl auf die positiven Halbwellen einer Störschwingung wie auch auf die negativen Halbwellen einer Störschwingung, indem durch die Gegentaktschaltung sowohl positive Halbwellen als auch negative Halbwellen einer Störung entsprechend über die positive oder die negative Versorgungsleitung abgeleitet werden.
Die galvanische Trennung zu der Leitung 10 wird über die Kondensatoren 21 erreicht.
Durch eine symmetrische Niederspannungsquelle U1 bis U4 wird an dem Transistor T1 bis T1 eine Spannung von ±12V angelegt.
Die symmetrische Niederspannungsquelle U1, U2 bzw. U3, U4 kann über einen Spannungswandler aus der Hochvoltspannungsquelle gespeist sein. Alternativ kann die Niederspannungsquelle U1, U2 bzw. U3, U4 aus einem separaten Netz, beispielsweise einem 12V oder 24V Bordnetz eines Fahrzeugs gespeist werden.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: HV-Kabelbaum
3: Leistungselektronik mit elektrischem Motor
4: elektrische Heizung
5: Spannungswandler
6: integrierte Ladeelektronik
7: Steuergerät
8: Vorrichtung zur Störungsunterdrückung
81: Filter
82: steuerbarer Widerstand
10: Leitung
20: Spule
21: Kondensator
22: Widerstand
23: Halbleiter
24: Spannungsquelle
25: Differenzverstärker
30: erste Messpunkte
31: zweite Messpunkte
T1: Transistor 1
T2: Transistor 2
T3: Transistor 3
U1: erste Niederspannungsquelle
U2: zweite Niederspannungsquelle
U3: dritte Niederspannungsquelle
U4: vierte Niederspannungsquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014015309 A1 [0002]
DE 102011079082 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen in einem wenigstens zwei Leitungen umfassenden Stromversorgungsnetz eines Fahrzeugs, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem Filter, das mit einer ersten Leitung des Stromversorgungsnetzes verbunden ist, um unerwünschte Schwingungen abzugreifen, sowie mit einem steuerbaren Widerstand, der über einen Kondensator oder einen induktiven Übertrager zwischen der ersten Leitung des Stromversorgungsnetzes und entweder einer weiteren Leitung des Stromversorgungsnetzes oder einem Massepotenzial oder einem negativen oder positiven Bezugspotenzial geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter derart ausgebildet und mit dem steuerbaren Widerstand verbunden ist, dass das Filter bei Auftreten von unerwünschten Schwingungen den ohmschen Widerstand des steuerbaren Widerstands verkleinert.
Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter als ein Hochpassfilter oder als ein Bandpassfilter ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter bei Auftreten von unerwünschten Schwingungen den ohmschen Widerstand des steuerbaren Widerstands um mindestens den Faktor 10, oder den Faktor 100 oder den Faktor 1.000, oder den Faktor 10.000 verkleinert.
Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Widerstand als ein steuerbarer ohmscher Widerstand ausgebildet ist, vorzugsweise dass der steuerbare ohmsche Widerstand ein gesteuerter Halbleiter, insbesondere ein Transistor oder ein Feldeffekttransistor ist.
Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Widerstand als steuerbarer ohmscher Widerstand ausgebildet ist, indem dieser eine Gegentaktschaltung mit Transistoren oder Feldeffekttransistoren umfasst.
Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator oder der induktive Übertrager zur Verbindung des steuerbaren Widerstands mit einer Leitung des Stromversorgungnetzes in Serie mit dem steuerbaren Widerstand geschaltet ist, vorzugsweise dass der Kondensator oder der induktive Übertrager in einem Kollektorkreis oder in einem Emitterkreis eines Transistors des steuerbaren ohmschen Widerstands angeordnet ist, oder dass der Kondensator oder der induktive Übertrager zur Verbindung des steuerbaren ohmschen Widerstands mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes in einem Drain-Kreis oder einem Source-Kreis eines Feldeffekttransistors des steuerbaren ohmschen Widerstands angeordnet ist.
Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator oder der induktive Übertrager zur Verbindung des steuerbaren ohmschen Widerstands mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes derart bemessen ist, dass in dem zu unterdrückenden Frequenzbereich der unerwünschten Schwingungen der imaginäre Anteil der Impedanz, die sich aus Serienschaltung des steuerbaren ohmschen Widerstands mit dem Kondensator oder dem induktiven Übertrager ergibt, kleiner als 10 % dessen realen Anteils oder dessen Wirkwiderstands beträgt, vorzugsweise kleiner als 1 % dessen realen Anteils oder dessen Wirkwiderstands beträgt.
Stromversorgungsnetz für ein Fahrzeug mit wenigstens einer Stromquelle und wenigstens einem schaltbaren oder schaltenden elektrischen Verbraucher, wobei der elektrische Verbraucher von der Stromquelle über wenigstens zwei Leitungen mit elektrischer Energie versorgt wird und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Störungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche zwischen zwei Leitungen des Stromversorgungsnetzes oder zwischen einer Leitung des Stromversorgungsnetzes und entweder einem Massepotenzial oder einem negativen oder positiven Bezugspotenzial geschaltet ist.
Stromversorgungsnetz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromversorgungsnetz einen Kabelbaum mit mehreren Stichleitungen zur Versorgung von mehreren Verbrauchern und/oder zur Einspeisung von einer oder mehreren Stromquellen umfasst.
Stromversorgungsnetz nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle eine Batterie und/oder einen Generator und/oder eine externe Stromversorgung und/oder eine Brennstoffzelle umfasst.
Stromversorgungsnetz nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrischer Verbraucher entweder eine Leistungselektronik mit elektrischem Motor, insbesondere ein Traktionsmotor, und/oder eine elektrische Heizung, insbesondere Sitzheizung, und/oder ein Spannungswandler und/oder eine integrierte Ladeelektronik und/oder ein Steuergerät vorgesehen ist.
Verfahren zur Unterdrückung von Schwingungen in einem Stromversorgungsnetz unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Schwingungen um durch Schaltvorgänge oder durch Lastwechsel angeregte, insbesondere gedämpfte, Schwingungen des Stromversorgungnetzes handelt.
Verfahren zur Unterdrückung von durch Schaltvorgänge oder Lastwechsel angeregte Schwingungen in einem Stromversorgungsnetz eines Fahrzeugs, insbesondere Elektrofahrzeug, wobei das Stromversorgungsnetz eine Stromquelle sowie wenigstens einen schaltbaren oder schaltenden elektrischen Verbraucher umfasst, wobei über einen steuerbaren Widerstand, der galvanisch getrennt entweder mit zwei Leitungen des Stromversorgungsnetzes verbunden ist oder mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes und entweder einem Massepotenzial oder einem negativen oder positiven Bezugspotenzial verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Widerstand als frequenzabhängiger ohmscher Widerstand ausgebildet ist, indem durch einen mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes verbundenen Filter frequenzabhängig Schwingungen detektiert werden und der ohmsche Widerstand des steuerbaren Widerstands entsprechend den detektieren Schwingungen reduziert wird.
Verfahren zur Unterdrückung von durch Schaltvorgänge oder Lastwechsel angeregten Schwingungen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als steuerbarer ohmscher Widerstand ein Halbleiter, vorzugsweise ein Transistor oder Feldeffekttransistor eingesetzt wird, der zur galvanischen Trennung über einen in Serie geschalteten Kondensator oder induktiven Übertrager mit einer Leitung des Stromversorgungsnetzes verbunden wird, wobei der Kondensator oder induktive Übertrager derart bemessen wird, dass der aus der Serienschaltung resultierende imaginäre Anteil der Impedanz in dem zu unterdrückenden Frequenzbereich kleiner als 10 % des realen ohmschen Anteils oder des Wirkwiderstands beträgt, vorzugsweise kleiner als 1 % des realen ohmschen Anteils oder des Wirkwiderstands beträgt.
Verfahren zur Unterdrückung von durch Schaltvorgänge oder Lastwechsel angeregten Schwingungen nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem steuerbaren Widerstand der ohmsche Widerstand durch Variieren eines Basisstroms oder einer Gate-Spannung oder durch periodisches Schalten eines Halbleiters gesteuert wird.