DE102022120542A1

DE102022120542A1 - Stromrichter für ein Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs und Bordnetz für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022120542A1
Application number: DE102022120542.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bucher; Maximilian Gerner; Guido Rasek; Mathias Baumann; Dimitri Pundjak; Michael Löbel; Dhara Madhavi; Rainer Edelhäuser; Simon Schmidt
Original assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2022-08-15
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2024-02-15
Also published as: WO2024037780A1

Abstract

Stromrichter (1, 1a, 1b) für ein Bordnetz (101) eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (100), aufweisend eine erste Leitung (2) für ein erstes Potential (3), eine zweite Leitung (4) für ein zweites Potential (5), eine dritte Leitung (6) für ein Bezugspotential (7) und eine Filtereinrichtung (8), die- einen ersten Anschluss (10),- einen zweiten Anschluss (11),- einen dritten Anschluss (12),- einen ersten Kondensator (13), über den ein erster Strompfad (14) vom ersten Anschluss (10) zum dritten Anschluss (12) geführt ist,- einen zweiten Kondensator (15), über den ein zweiter Strompfad (16) vom zweiten Anschluss (11) zum dritten Anschluss (12) geführt ist,- einen dritten Kondensator (17), der eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einem Mittelknoten (18), der zwischen dem ersten Kondensator (13) und dem zweiten Kondensator (15) liegt, und dem dritten Anschluss (12) ausbildet, und- eine Schalteinrichtung (19), die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer Steuerinformation (20) zwischen einem ersten Filtermodus, in welchem der erste Strompfad (14) und der zweite Strompfad (16) im ersten Filtermodus am dritten Kondensator (17) vorbei zum dritten Anschluss (12) geführt sind, und einem zweiten Filtermodus, in welchem der erste Strompfad (14) und der zweite Strompfad (16) über den dritten Kondensator (17) zum dritten Anschluss (12) geführt sind, zu schalten, aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter für ein Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, aufweisend eine erste Leitung für ein erstes Potential, eine zweite Leitung für ein zweites Potential, eine dritte Leitung für ein Bezugspotential und eine Filtereinrichtung, die einen ersten Anschluss, der an die erste Leitung angeschlossen ist, einen zweiten Anschluss, der an die zweite Leitung angeschlossen ist, einen dritten Anschluss, der an die dritte Leitung angeschlossen ist, einen ersten Kondensator, über den ein erster Strompfad vom ersten Anschluss zum dritten Anschluss geführt ist, einen zweiten Kondensator, über den ein zweiter Strompfad vom zweiten Anschluss zum dritten Anschluss geführt ist, und eine Schalteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer Steuerinformation zwischen einem ersten Filtermodus und einem zweiten Filtermodus zu schalten, aufweist.
Daneben betrifft die Erfindung ein Bordnetz für ein elektrisches antreibbares Fahrzeug.
Die DE 10 2017 220 982 A1 offenbart ein Traktionsnetz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug. Das Traktionsnetz umfasst eine Hochvoltbatterie, die über eine positive Hochvoltleitung und eine negative Hochvoltleitung mit einem Pulswechselrichter verbunden ist. An die positive und die negative Hochvoltleitung ist jeweils ein Y-Kondensator angeschlossen. Den Y-Kondensatoren ist ein Schaltelement zugeordnet, dass durch eine Steuereinheit in Abhängigkeit mindestens eines Betriebszustands ansteuerbar ist.
Die DE 10 2021 003 180 A1 offenbart ein elektrisches Bordnetz für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einer ersten elektrischen Potentialleitung und einer zweiten elektrischen Potentialleitung, zwischen denen das Bordnetz mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt ist. Das Bordnetz weist zwei erste Entstörkondensatoren auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und jeweils mit einem Anschluss mit den Potentialleitungen elektrisch gekoppelt sind. Das Bordnetz weist ferner einen weiteren Entstörkondensator und einen Schalter auf.
In elektrisch antreibbaren Fahrzeugen sind Bordnetze, insbesondere Hochvoltbordnetze, typischerweise als IT-Systeme ausgebildet, bei denen ein erstes und zweites Potential einer Traktionsbatterie von einem Bezugspotential, insbesondere einem Fahrzeuggehäusepotential, isoliert sind. Stromrichter, die in solchen Bordnetzen eingesetzt werden und deren erste und zweite Leitung mit dem ersten und zweiten Potential der Traktionsbatterie verbindbar sind, können während ihres Betriebs hochfrequente Störsignale erzeugen, die aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit mittels einer Filtereinrichtung zu filtern sind. Typischerweise weist eine solche Filtereinrichtung zwei Kondensatoren auf, die insbesondere der Ableitung eines Gleichtaktstroms auf der ersten und der zweiten Leitung zu einer auf dem Bezugspotential liegenden dritten Leitung, dienen.
Mit steigender Bordnetzspannung, die der Differenz zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential entspricht, steigt auch die Energiemenge, die im ersten und zweiten Kondensator der Filtereinrichtung gespeichert wird, mit dem Quadrat der Bordnetzspannung. Einschlägige Normen, wie beispielsweise die ISO 6469-3, begrenzen diese Energiemenge auf einen vorgegebenen Wert. Dadurch können im Falle eines Isolationsfehlers, insbesondere während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie, in den Kondensatoren gespeicherte und über die dritte Leitung abfließende elektrische Ladungen unterhalb einer für den menschlichen Körper gefährlichen Grenze gehalten werden. Beim Entwurf von Stromrichtern ist daher ein durch die Auslegung des Bordnetzes vorgegebenes Energiebudget einzuhalten.
Es wurde zwar bereits vorgeschlagen, einen Schalter in einen Strompfad zwischen den Kondensatoren und dem dritten Anschluss vorzusehen, um die Kondensatoren in einem ersten Filtermodus mit dem dritten Anschluss der Filtereinrichtung bzw. dem Bezugspotential zu verbinden und in einem zweiten Filtermodus davon zu trennen. Allerdings weisen derartige Schalter parasitäre Kapazitäten auf, deren Größe fertigungsbedingt nur ungenau kontrollierbar ist. Dies führt im zweiten Filtermodus zu einer nur schwer vorhersagbaren Spannungsaufteilung über den Kondensatoren und dem Schalter, was die präzise Ermittlung des Energiebudgets zur Sicherstellung der elektrischen Sicherheit erheblich erschwert und ggf. in Verbindung mit zusätzlichen Filterinduktivitäten zu einer sehr ungenau vorhersagbaren Lage der Filterfrequenzen führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit zum Betreiben eines Stromrichters in einem Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Stromrichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Filtereinrichtung ferner einen dritten Kondensator aufweist, der eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einem Mittelknoten, der zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator liegt, und dem dritten Anschluss ausbildet, wobei der erste Strompfad und der zweite Strompfad im ersten Filtermodus am dritten Kondensator vorbei zum dritten Anschluss und im zweiten Filtermodus über den dritten Kondensator zum dritten Anschluss geführt sind.
Der erfindungsgemäße Stromrichter weist eine erste Leitung für ein erstes Potential, eine zweite Leitung für ein zweiten Potential und eine dritte Leitung für ein Bezugspotential auf. Der Stromrichter weist ferner eine Filtereinrichtung auf. Die Filtereinrichtung weist einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss auf. Der erste Anschluss ist an die erste Leitung angeschlossen. Der zweite Anschluss ist die zweite Leitung angeschlossen. Der dritte Anschluss ist an die dritte Leitung angeschlossen. Die Filtereinrichtung weist ferner einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator und einen dritten Kondensator auf. Über den ersten Kondensator ist ein erster Strompfad vom ersten Anschluss zum dritten Anschluss geführt. Über den zweiten Kondensator ist ein zweiter Strompfad vom zweiten Anschluss zum dritten Anschluss geführt. Der dritte Kondensator bildet eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einem Mittelknoten und dem dritten Anschluss aus. Der Mittelknoten liegt zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator. Die Filtereinrichtung weist ferner eine Schalteinrichtung auf. Die Schalteinrichtung ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit einer Steuerinformation zwischen einem ersten Filtermodus und einem zweiten Filtermodus zu schalten. Im ersten Filtermodus sind der erste Strompfad und der zweite Strompfad am dritten Kondensator vorbei zum dritten Anschluss geführt. Im zweiten Filtermodus sind der erste Strompfad und der zweite Strompfad über den dritten Kondensator zum dritten Anschluss geführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter ist vorgesehen, den ersten und zweiten Strompfad im ersten Filtermodus am dritten Kondensator vorbei zu führen, sodass die Kapazitäten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators im Wesentlichen als Y-Kapazitäten wirken können. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Unterdrückung von Gleichtaktstörungen auf der ersten Leitung und der zweiten Leitung. Im zweiten Filtermodus werden der erste Strompfad und der zweite Strompfad über den dritten Kondensator geführt. Der dritte Kondensator kann so vorteilhafterweise eine wohldefinierte Kapazität zwischen dem Mittelknoten und dem dritten Anschluss bereitstellen, was eine präzise Bestimmung eines Energiebudgets bei der Auslegung des Stromrichters erlaubt. Gleichzeitig können die effektiven Y-Kapazitäten der Filtereinrichtung im zweiten Filtermodus gegenüber dem ersten Filtermodus reduziert werden.
Im Hinblick auf die elektrische Sicherheit kann mit zusätzlichem Vorteil auch der zeitliche Verlauf eines Körperstroms bei einem Isolationsfehler präziser eingegrenzt werden, da durch die Vorgabe der Kapazität des dritten Kondensators die äquivalente Kapazität im zweiten Filtermodus und damit die sich aus der äquivalenten Kapazität und dem Körperwiderstand ergebende Entladezeitkonstante in einen Bereich ohne oder mit geringem Fibrillationsrisiko gelegt werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stromrichters liegt darin, dass die Kapazitäten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators wegen des Vorhandenseins des dritten Kondensators im zweiten Filtermodus zusätzlich partiell als X-Kapazitäten wirken und damit eine stärkere Unterdrückung von Gegentaktstörungen ermöglichen.
Der erfindungsgemäße Stromrichter kann als Wechselrichter, als Gleichspannungswandler oder als aktiver Gleichrichter ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Stromrichter kann ferner ein Gehäuse aufweisen, in welchem zumindest die erste Leitung, die zweite Leitung, die dritte Leitung und die Filtereinrichtung aufgenommen sind. Die dritte Leitung kann elektrisch leitfähig mit dem Gehäuse verbunden sein. Das Bezugspotential kann insoweit auch als Gehäusepotential aufgefasst werden.
Typischerweise unterscheidet sich das erste Potential vom zweiten Potential. Bevorzugt ist das erste Potential größer als das zweite Potential. Das Bezugspotential liegt vorzugsweise zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential. Das Bezugspotential kann auch als Massepotential aufgefasst werden. In bevorzugter Ausgestaltung sind die erste Leitung und die zweite Leitung vollständig oder zumindest abschnittsweise jeweils als massive Stromschienen ausgebildet. Die erste und die zweite Leitung können an einen Gleichspannungsanschluss des Stromrichters angeschlossen sein, an welchem insbesondere eine Anschlussvorrichtung zum elektrischen Kontaktieren des Stromrichters mit einer Gleichspannungsquelle ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Filtereinrichtung gleichspannungsanschlussseitig angeordnet.
Die dritte Leitung ist nicht notwendigerweise als Stromschiene ausgebildet. Die dritte Leitung kann durch ein Kabel, eine Massefläche oder durch ein Befestigungsmittel, durch welches die Filtereinrichtung im Stromrichter, insbesondere am Gehäuse, befestigt ist, ausgebildet sein.
Der erste Kondensator, der zweite Kondensator und der dritte Kondensator können jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, zwischen denen die Kapazität des Kondensators bereitgestellt ist, aufweisen. Der erste Anschluss des ersten Kondensators kann an den ersten Anschluss der Filtereinrichtung angeschlossen sein. Der zweite Anschluss des zweiten Kondensators an den zweiten Anschluss der Filtereinrichtung angeschlossen sein.
Der erste Kondensator, der zweite Kondensator und der dritte Kondensator können jeweils durch ein Kondensatorbauelement oder mehrere miteinander verschaltete Kondensatorbauelemente ausgebildet sein. Die Schalteinrichtung ist vorzugsweise eine Halbleiter-Schalteinrichtung, die insbesondere eine oder mehrere Transistorstrukturen aufweist. Es ist alternativ auch möglich, dass die Schalteinrichtung eine elektromechanische Schalteinrichtung ist, die beispielsweise ein oder mehrere Relais aufweist.
Vorzugsweise führt im ersten Filtermodus eine elektrisch leitfähige Verbindung vom Mittelknoten zum dritten Anschluss vollständig am dritten Kondensator vorbei. Es ist aber auch möglich, dass im ersten Filtermodus ein weiterer Strompfad entlang des dritten Kondensators geführt ist. Der weitere Strompfad weist vorzugsweise eine höhere Impedanz auf als die am dritten Kondensator vorbeiführenden Abschnitte des ersten und zweiten Strompfads.
Bevorzugt ist die Filtereinrichtung des erfindungsgemäßen Stromrichters dazu eingerichtet, im zweiten Filtermodus entlang des ersten Strompfads und des zweiten Strompfads jeweils eine höhere Polfrequenz für die Filterung eines Gleichtaktstroms auf der ersten Leitung und der zweiten Leitung als im ersten Filtermodus einzustellen. Im Falle eines ersten Isolationsfehlers kann dadurch die Entladezeitkonstante, die sich aus der effektiven Y-Kapazität und einem Körperwiderstand ergibt, vorteilhaft modifiziert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromrichters ist der Mittelknoten ein gemeinsamer Knoten eines dem dritten Anschluss abgewandten Anschlusses des dritten Kondensators, eines dem ersten Anschluss abgewandten und/oder dem zweiten Kondensator zugewandten Anschlusses des ersten Kondensators und eines dem zweiten Anschluss abgewandten und/oder dem ersten Kondensator zugewandten Anschlusses des zweiten Kondensators. Der dem dritten Anschluss abgewandte Anschluss des dritten Kondensators kann dem zweiten Anschluss des dritten Kondensators entsprechen. Der dem ersten Anschluss der Filtereinrichtung abgewandte bzw. dem zweiten Kondensator zugewandte Anschluss des ersten Kondensators kann dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators entsprechen. Der dem zweiten Anschluss der Filtereinrichtung abgewandten bzw. dem ersten Kondensator zugewandte Anschluss des zweiten Kondensators kann dem ersten Anschluss des zweiten Kondensators entsprechen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein dem Mittelknoten abgewandter Anschluss des dritten Kondensators an den dritten Anschluss angeschlossen ist. Der dem Mittelknoten abgewandte Anschluss des dritten Kondensators kann dem ersten Anschluss des dritten Kondensators entsprechen.
Hinsichtlich der Schalteinrichtung des erfindungsgemäßen Stromrichters wird es bevorzugt, wenn die Schalteinrichtung einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und eine in Abhängigkeit der Steuerinformation ansteuerbare Schaltstrecke aufweist.
Der erste Anschluss der Schalteinrichtung kann dabei an den Mittelknoten und/oder an den dritten Kondensator, insbesondere an dessen zweiten Anschluss, angeschlossen sein. Vorzugsweise bilden der erste Anschluss der Schalteinrichtung, der Mittelknoten und der zweite Anschluss des dritten Kondensators einen gemeinsamen Schaltungsknoten aus. Der zweite Anschluss der Schalteinrichtung kann an den dritten Anschluss der Filtereinrichtung und/oder an den dritten Kondensator, insbesondere an dessen ersten Anschluss, angeschlossen sein. Vorzugsweise bilden der zweite Anschluss der Schalteinrichtung, der dritte Anschluss der Filtereinrichtung und der erste Anschluss des dritten Kondensators einen gemeinsamen Schaltungsknoten aus.
In bevorzugter Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schaltstrecke zum Einnehmen des ersten Filtermodus leitend zu schalten und/oder zum Einnehmen des zweiten Filtermodus sperrend zu schalten.
Allgemein ist es bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter von Vorteil, wenn die Schalteinrichtung parallel zum dritten Kondensator geschaltet ist. Dann können der erste Strompfad und der zweite Strompfad im ersten Filtermodus über die Schalteinrichtung am dritten Kondensator vorbeigeführt werden.
Um im ersten Filtermodus besonders effizient Gleichtaktströme zu filtern, kann die Schalteinrichtung als bidirektional leitender und/oder sperrender Schalter ausgebildet sein.
Hinsichtlich der Dimensionierung der Kondensatoren kann folgendes vorgesehen sein: Die Kapazität des dritten Kondensators kann kleiner als die Kapazität des ersten Kondensators sein. Die Kapazität des dritten Kondensators kann kleiner als die Kapazität des zweiten Kondensators sein.
Die Kapazitäten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators können gleich sein. Dies ermöglicht eine besonders symmetrische Spannungsverteilung über dem ersten und zweiten Kondensator.
Um auch im ersten Filtermodus eine effiziente Unterdrückung von Gegentaktstörungen zu ermöglichen, kann die Filtereinrichtung ferner einen vierten Kondensator aufweisen, der parallel zum ersten Kondensator und zum zweiten Kondensator an den ersten Anschluss der Filtereinrichtung und an den zweiten Anschluss der Filtereinrichtung angeschlossen ist. Mit anderen Worten kann der vierte Kondensator eine feste X-Kapazität bereitstellen.
In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromrichters weist die Filtereinrichtung eine Leiterplatte auf. Auf der Leiterplatte können die ersten bis dritten Kondensatoren angeordnet sein. Auf der Leiterplatte kann auch der vierte Kondensator angeordnet sein. Auf der Leiterplatte können die ersten bis dritten Anschlüsse der Filtereinrichtung angeordnet sein. Auf der Leiterplatte kann die Schalteinrichtung angeordnet sein.
Der erfindungsgemäße Stromrichter kann ferner einen Zwischenkreiskondensator aufweisen, der zwischen die erste Leitung und die zweite Leitung geschaltet ist.
Der erfindungsgemäße Stromrichter kann ferner eine Wandlerschaltung aufweisen, die zwischen die erste Leitung und die zweite Leitung geschaltet ist. Die Wandlerschaltung kann Leistungshalbleiterschalter, die insbesondere als Schaltzelle, Leistungsbrücke oder als B6-Brückenschaltung verschaltet sind, aufweisen, um die zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung anliegende Spannung in einem Schaltbetrieb zu wandeln. Vorzugsweise ist die Filtereinrichtung auf der der Wandlerschaltung abgewandten Seite des Zwischenkreiskondensators angeordnet.
Der erfindungsgemäße Stromrichter kann ferner induktive Filterelemente aufweisen, die als Längsinduktivitäten in der ersten Leitung und der zweiten Leitung wirken und zwischenkreiskondensatorseitig und/oder gleichspannungseingangsseitig, insbesondere räumlich nah, an der Filtereinrichtung angeordnet sind. Die Filterelemente können durch Ferritkerne, beispielsweise nanokristalline Kerne, Eisenpulverkerne oder andere Kerne aus magnetischem Material, um die Leitungen ausgebildet sein.
Bevorzugt sind parasitäre Induktivitäten entlang der ersten Leitung und der zweiten Leitungen zwischen der dem Gleichspannungsanschluss einerseits und dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Filtereinrichtung oder den gleichspannungsanschlussseitigen Filterelementen andererseits geringer als parasitäre Induktivitäten zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Filtereinrichtung oder den zwischenkreiskondensatorseitigen Filterelementen einerseits und dem Zwischenkreiskondensator andererseits.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Bordnetz für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, aufweisend wenigstens einen zuvor beschriebenen Stromrichter, eine Traktionsbatterie, eine Ladeeinrichtung, die zum Aufladen oder Entladen der Traktionsbatterie an ein fahrzeugexternes elektrisches Netz anschließbar ist, und eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Steuerinformation zum Einnehmen des zweiten Filtermodus bereitzustellen, wenn und/oder solange die Ladeeinrichtung an das fahrzeugexterne elektrische Netz angeschlossen ist.
Somit können vorteilhafterweise in einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs bzw. des Bordnetzes der erste Filtermodus vorgegeben und in einem Ladebetrieb der zweite Filtermodus vorgegeben werden.
Die Traktionsbatterie weist bevorzugt eine Nennspannung von wenigstens 400 Volt, bevorzugt wenigstens 600 Volt, besonders bevorzugt wenigstens 800 Volt auf.
Ein Stromrichter des Bordnetzes kann als Wechselrichter ausgebildet sein, der dazu eingerichtet ist, eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanent oder elektrisch erregte, Synchronmaschine, einen Axialflussmotor oder eine Asynchronmaschine, zum Antreiben des Fahrzeugs elektrisch mit einer mehrphasigen Wechselspannung zu versorgen.
Ein Stromrichter des Bordnetzes kann einen Teil der Ladeeinrichtung ausbilden und dazu eingerichtet sein, eine vom fahrzeugexternen elektrischen Netz bereitgestellt Gleich- oder Wechselspannung in eine Gleichspannung zum Laden der Traktionsbatterie zu wandeln.
Ein Stromrichter des Bordnetzes kann als Gleichspannungswandler ausgebildet sein, der zum Koppeln des Bordnetzes mit einem weiteren Bordnetz, insbesondere einem Niedervoltbordnetz, des Fahrzeugs eingerichtet ist. Ein Potential des Niedervoltbordnetzes kann dem Bezugspotential entsprechen.
Das Bordnetz kann ferner eine elektrische Leitung, beispielsweise eine elektrisch leitfähige Befestigung oder ein Masseband, aufweisen, mittels welcher die dritte Leitung des wenigstens einen Stromrichters mit einer Karossiere des Fahrzeugs elektrisch leitfähig verbunden ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stromrichters;
2 eine Prinzipskizze des Stromrichters gemäß dem Ausführungsbeispiel; und
3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bordnetzes in einem Fahrzeug.

1 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Stromrichters 1.
Der Stromrichter 1 weist eine erste Leitung 2 für ein erstes Potential 3, eine zweite Leitung 4 für ein zweites Potential 5, und eine dritte Leitung 6 für ein Bezugspotential 7, das auch als Massepotential erachtet werden kann, auf. Exemplarisch ist das erste Potential 3 höher als das zweite Potential 5 und der Stromrichter 1 dazu eingerichtet, mit einer Potentialdifferenz zwischen dem ersten Potential 3 und dem zweiten Potential 5 von 800 Volt betrieben zu werden. Das Bezugspotential 7 liegt exemplarisch zwischen dem ersten Potential 3 und dem zweiten Potential 5.
Der Stromrichter 1 weist ferner eine Filtereinrichtung 8 auf. Konkret dient die Filtereinrichtung 8 als Entstörfilter, also zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit des Stromrichters 1, und ist vorzugsweise nah an einem Gleichspannungsanschluss 9 angeordnet.
Die Filtereinrichtung 8 weist einen ersten Anschluss 10, der an die erste Leitung 2 angeschlossen ist, einen zweiten Anschluss 11, der an die zweite Leitung 4 angeschlossen ist und einen dritten Anschluss 12, der an die dritte Leitung 6 angeschlossen ist, auf. Außerdem weist die Filtereinrichtung einen ersten Kondensator 13, über den ein erster Strompfad 14 vom ersten Anschluss 10 zum dritten Anschluss 12 geführt ist, und einen zweiten Kondensator 15, über den ein zweiter Strompfad 16 vom zweiten Anschluss 11 zum dritten Anschluss 12 geführt ist, auf. Die Strompfade 14, 16 sind in 1 rein schematisch durch gestrichelte Linien illustriert. Daneben weist die Filtereinrichtung einen dritten Kondensator 17 auf, der eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einem Mittelknoten 18, der zwischen dem ersten Kondensator 13 und dem zweiten Kondensator 15 liegt, und dem dritten Anschluss 12 ausbildet.
Darüber hinaus weist die Filtereinrichtung 8 eine Schalteinrichtung 19 auf. Die Schalteinrichtung 19 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit einer Steuerinformation 20 zwischen einem ersten Filtermodus und einem zweiten Filtermodus zu schalten. Im ersten Filtermodus sind der erste Strompfad 14 und der zweite Strompfad 16 am dritten Kondensator 17 vorbei zum dritten Anschluss 12 geführt. Im zweiten Filtermodus sind der erste Strompfad 14 und der zweite Strompfad 16 über den dritten Kondensator 17 zum dritten Anschluss 12 geführt.
Die Kapazitäten C₁, C₂ des ersten Kondensators 13 bzw. des zweiten Kondensators 15 können dabei im ersten Filtermodus als Y-Kapazitäten zur Filterung von Gleichtaktstörungen auf der ersten und zweiten Leitung 2, 4 wirken. Im zweiten Filtermodus, bilden die Kapazitäten C₁, C₂ zusammen mit der Kapazität C₃ des dritten Kondensators 17 ein Kondensatornetzwerk aus, das insbesondere eine wohldefinierte Kapazität zwischen dem Mittelknoten 18 und dem dritten Anschluss 12 bereitstellt und zusätzlich eine X-Kapazität zur Filterung von Gegentaktstörungen auf der ersten Leitung 2 und der zweiten Leitung 4 bereitstellt. Die Filtereinrichtung 8 ist dabei dazu eingerichtet, im zweiten Filtermodus entlang des ersten Strompfads 14 und des zweiten Strompfads 16 jeweils eine höhere Polfrequenz für die Filterung eines Gleichtaktstroms auf der ersten Leitung 2 und der zweiten Leitung 4 als im ersten Filtermodus einzustellen.
Der erste Kondensator 13 weist einen ersten Anschluss 13a und einen zweiten Anschluss 13b auf. Der zweite Kondensator 15 weist einen ersten Anschluss 15a und einen zweiten Anschluss 15b auf. Der dritte Kondensator weist einen ersten Anschluss 17a und einen zweiten Anschluss 17b auf. Die Schalteinrichtung weist einen ersten Anschluss 19a und einen zweiten Anschluss 19b auf, zwischen denen eine in Abhängigkeit der Steuerinformation 20 ansteuerbare Schaltstrecke ausgebildet ist.
Schaltungstechnisch ist die Filtereinrichtung 8 im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch realisiert, dass die Schalteinrichtung 19 parallel zum dritten Kondensator 17 geschaltet und dazu eingerichtet ist, die Schaltstrecke zum Einnehmen des ersten Filtermodus leitend zu schalten und zum Einnehmen des zweiten Filtermodus sperrend zu schalten. Im Detail sind dazu der erste Anschluss 19a der Schalteinrichtung 19 an den zweiten Anschluss 17b des dritten Kondensators 17 angeschlossen sowie der zweite Anschluss 19b der Schalteinrichtung 19 an den ersten Anschluss 17a des dritten Kondensators 17 angeschlossen.
Außerdem ist der dem Mittelknoten 18 abgewandte erste Anschluss 17a des dritten Kondensators 17 an den dritten Anschluss 12 der Filtereinrichtung 8 angeschlossen. Der zweite Anschluss 17b des dritten Kondensators 17 ist an den Mittelknoten 18 angeschlossen. Insbesondere bilden der dritte Anschluss 12 der Filtereinrichtung 8, der erste Anschluss 17a des dritten Kondensators 17 und der zweite Anschluss 19b der Schalteinrichtung 19 einen gemeinsamen Schaltungsknoten der Filtereinrichtung 8 aus. Entsprechend bilden der Mittelknoten 18, der zweite Anschluss 17b des dritten Kondensators 17 und der erste Anschluss 19a der Schalteinrichtung 19 einen gemeinsamen Schaltungsknoten der Filtereinrichtung 8 aus.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Anschluss 13a des ersten Kondensators 13 an den ersten Anschluss 10 der Filtereinrichtung 8 angeschlossen. Der zweite Anschluss 15b des zweiten Kondensators 15 ist an den zweiten Anschluss 11 der Filtereinrichtung 8 angeschlossen. Der Mittelknoten 18 bildet ferner einen gemeinsamen Knoten des zweiten Anschlusses 13b des ersten Kondensators 13, des ersten Anschlusses 15a des zweiten Kondensators 15 und des zweiten Anschlusses 17b des dritten Kondensators 17 aus.
Wenn im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Schalteinrichtung 19 den zweiten Filtermodus durch Öffnen der Schaltstrecke einnimmt, ergibt sich die folgende äquivalente Kapazität C_eq für die Filterung von Gleichtaktstörungen: $C_{e q} = \frac{C_{3} (C_{1} + C_{2})}{C_{3} + (C_{1} + C_{2})}$
Mit der Annahme, dass die C₁ = C₂ = C₀ gleich groß sind, folgt daraus: $C_{e q} = \frac{2 C_{0} C_{3}}{C_{3} + 2 C_{0}}$
Wird nun C₃ als Verhältnis zu C₀ durch C₃ = k·C₀ ausgedrückt folgt daraus: $C_{e q} = \frac{2 k C_{0}^{2}}{(k + 2) C_{0}} \Rightarrow \frac{C_{e q}}{2 C_{0}} = \frac{1}{1 + \frac{2}{k}}$
Durch die Wahl von k < 1 kann mithin die äquivalente Kapazität zum Filtern von Gleichtaktstörungen im zweiten Filtermodus signifikant reduziert werden, was entsprechend die für die Ermittlung eines Energiebudgets zu berücksichtigende Energiemenge reduziert.
Optional ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein vierter Kondensator 21 mit einem ersten Anschluss 21 a und einem zweiten Anschluss 21 b der Filtereinrichtung 8 vorgesehen. Der vierte Kondensator 21 ist parallel zum ersten Kondensator 13 und zum zweiten Kondensator 15 an den ersten Anschluss 10 der Filtereinrichtung 8 und an den zweiten Anschluss 11 der Filtereinrichtung 8 angeschlossen. Der erste Anschluss 10 der Filtereinrichtung 8, der erste Anschluss 13a des ersten Kondensators 13 und der erste Anschluss 21a des vierten Kondensators 21 bilden dabei einen gemeinsamen Schaltungsknoten aus. Ferner bilden der zweite Anschluss 11 der Filtereinrichtung 8, der zweite Anschluss 15b des zweiten Kondensators 15 und der zweite Anschluss 21 b des vierten Kondensators 21 einen gemeinsamen Schaltungsknoten aus. Der vierte Kondensator 21 stellt eine feste X-Kapazität bereit.
1 zeigt ferner einen Zwischenkreiskondensator 40, der zwischen die erste Leitung 2 und die zweite Leitung 4 geschaltet ist, und eine Wandlerschaltung 41, die zwischen die erste Leitung 2 und die zweite Leitung 4 geschaltet ist. Ersichtlich ist die Filtereinrichtung 8 auf der der Wandlerschaltung 41 abgewandten Seite des Zwischenkreiskondensators 40 angeordnet.
Der Stromrichter 1 weist ferner vier induktive Filterelemente 42, 43, 44, 45 auf, die als Längsinduktivitäten in den Leitungen 2, 4 wirken und beispielsweise durch Ferritkerne um die Leitungen 2, 4 ausgebildet sind. Die Filterelemente 42 bis 45 sind nah an der Filtereinrichtung 8 angeordnet. Die Filterelemente 42, 44 sind bezüglich der Filtereinrichtung 8 gleichspannungseingangsseitig angeordnet. Die Filterelemente 43, 45 sind bezüglich der Filtereinrichtung 8 zwischenkreiskondensatorseitig angeordnet.
Außerdem sind in 1 schematisch parasitäre Induktivitäten L_1p, L_1n entlang der ersten Leitung 2 bzw. der zweiten Leitung 4 zwischen dem Gleichspannungsanschluss 9 und der Filtereinrichtung 8 bzw. den Filterelementen 42, 44 sowie parasitäre Induktivitäten L_2p, L_2n entlang der ersten Leitung 2 bzw. der zweiten Leitung 4 zwischen der Filtereinrichtung 8 bzw. den Filterelementen 43, 45 und dem Zwischenkreiskondensator 40 dargestellt. Die Anordnung der Filtereinrichtung 8 kann dabei so gewählt sein, dass L_1p und L_1n geringer als L_2p und L_2n sind, um eine möglichst effiziente Filterung zu ermöglichen.
2 ist eine Prinzipskizze des Stromrichters 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Die Filtereinrichtung 8 weist eine Leiterplatte 50 auf, auf welcher die Anschlüsse 10, 11, 12, die Kondensatoren 13, 15, 17, 21, die Schalteinrichtung 19 angeordnet sind. Die erste Leitung 2 und die zweite Leitung 4 sind jeweils durch massive Stromschienen 51, 52 ausgebildet, die mit den Anschlüssen 10, 11 auf der Leiterplatte 50 kontaktiert sind. An einem ersten Ende der Stromschienen 51, 52 ist der als Anschlussvorrichtung 53 ausgebildete Gleichspannungsanschluss 9 angeschlossen. An einem zweiten Ende der Stromschienen 51, 52 ist die Wandlerschaltung 41 angeschlossen. Der Zwischenkreiskondensator 40 ist ebenfalls mit den Stromschienen 51, 52 kontaktiert und kann sich, bezogen auf die Länge der Stromschienen 51, näher an der Wandlerschaltung 41 als an der Filtereinrichtung 8 befinden.
Der dritte Anschluss 12 der Filtereinrichtung 8 ist nicht mit den Stromschienen 51, 52 kontaktiert, sondern mittels eins Befestigungsmittels 54, welches die dritte Leitung 6 ausbildet, an einem Gehäuse 55 des Stromrichters 1 angeschlossen. Das Bezugspotential 7 kann daher auch als Gehäusepotential aufgefasst werden. In dem Gehäuse 55 sind die Leitungen 2, 4 bzw. die Stromschienen 51, 52, die Filtereinrichtung 8, der Zwischenkreiskondensator 40 und die Wandlerschaltung 41 eingehaust.
Der Stromrichter 1 kann als Wechselrichter, Gleichspannungswandler oder als aktiver Gleichrichter ausgebildet sein. Die Wandlerschaltung 41 weist dazu geeignete Halbleiterschaltelemente auf.
3 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Bordnetzes 101 in einem Fahrzeug 100.
Das Bordnetz 101 weist eine Traktionsbatterie 102 mit einer Nennspannung von beispielsweise 800 Volt, eine Ladeeinrichtung 103, die zum Aufladen oder Entladen der Traktionsbatterie 102 an ein fahrzeugexternes elektrisches Netz 104 anschließbar ist, sowie eine Steuereinrichtung 105, die zum Bereitstellen der Steuerinformation 20 eingerichtet ist, auf. Das Bordnetz 101 kann als Hochvoltbordnetz erachtet werden, da seine Betriebsspannung regelmäßig über 60 V liegt.
Das Bordnetz 101 weist einen Stromrichter 1 gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel auf, der als Wechselrichter ausgebildet ist. Der Stromrichter 1 ist dazu eingerichtet, eine elektrische Maschine 106 des Bordnetzes 101 zum Antreiben des Fahrzeugs 100 elektrisch mit einer mehrphasigen Wechselspannung zu versorgen. Die elektrische Maschine 106 ist beispielsweise eine permanent oder elektrisch erregte Synchronmaschine, eine Axialflussmaschine oder eine Asynchronmaschine.
Das Bordnetz 101 weist einen weiteren Stromrichter 1a gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel auf, der als aktiver Gleichrichter oder als Gleichspannungswandler ausgebildet ist und einen Teil der Ladeeinrichtung 103 ausbildet. Der Stromrichter 1a ist dazu eingerichtet, eine vom fahrzeugexternen elektrischen Netz 104 bereitgestellte Gleich- bzw. Wechselspannung in eine Gleichspannung zum Laden der Traktionsbatterie 102 zu wandeln.
Das Bordnetz 101 weist einen weiteren Stromrichter 1b gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel auf, der als Gleichspannungswandler ausgebildet ist. Der Stromrichter 1b ist zum Koppeln des Bordnetzes 101 mit einem weiteren Bordnetz 107 des Fahrzeugs 100 eingerichtet. Das weitere Bordnetz 107 ist beispielsweise ein Niedervoltbordnetz mit einer Betriebsspannung von unter 60 Volt, beispielsweise 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt.
Die Steuereinrichtung 105 kommuniziert über eine durch einen Doppelpfeil symbolisierte Signalleitung mit der Ladeeinrichtung 103. Die Steuereinrichtung 105 ist dazu eingerichtet, den Stromrichtern 1, 1a, 1b die Steuerinformation 20 zum Einnehmen des zweiten Filtermodus bereitzustellen, wenn und solange die Ladeeinrichtung 103 an das fahrzeugexterne elektrische Netz 104 angeschlossen ist. Der zweite Filtermodus kann also insbesondere als Lademodus aufgefasst werden. Die Steuerinformation 20 wird hingegen insbesondere dann zum Einnehmen des ersten Filtermodus bereitgestellt, wenn die Ladeeinrichtung 103 vom fahrzeugexternen elektrischen Netz 104 getrennt ist und wenn das Fahrzeug 100 fährt. Der erste Filtermodus kann daher auch als Fahrmodus aufgefasst werden.
Das Bordnetz 101 kann ferner elektrische Leiter aufweisen, mittels welcher die dritte Leitung 6 (siehe 1) eines jeweiligen Stromrichters 1, 1a, 1 b mit einer Karossiere 108 des Fahrzeugs 101 elektrisch leitfähig verbunden ist, sodass das Bezugspotential 7 auch als Karosseriepotential aufgefasst werden kann. Dieses ist gleichzeitig eines der Potentiale des weiteren Bordnetzes 107.
Das Fahrzeug 100 kann dementsprechend als batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder als Hybridfahrzeug ausgebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017220982 A1 [0003]
DE 102021003180 A1 [0004]

Claims

Stromrichter (1, 1a, 1b) für ein Bordnetz (101) eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (100), aufweisend eine erste Leitung (2) für ein erstes Potential (3), eine zweite Leitung (4) für ein zweites Potential (5), eine dritte Leitung (6) für ein Bezugspotential (7) und eine Filtereinrichtung (8), die - einen ersten Anschluss (10), der an die erste Leitung (2) angeschlossen ist, - einen zweiten Anschluss (11), der an die zweite Leitung (4) angeschlossen ist, - einen dritten Anschluss (12), der an die dritte Leitung (6) angeschlossen ist, - einen ersten Kondensator (13), über den ein erster Strompfad (14) vom ersten Anschluss (10) zum dritten Anschluss (12) geführt ist, - einen zweiten Kondensator (15), über den ein zweiter Strompfad (16) vom zweiten Anschluss (11) zum dritten Anschluss (12) geführt ist, und - eine Schalteinrichtung (19), die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer Steuerinformation (20) zwischen einem ersten Filtermodus und einem zweiten Filtermodus zu schalten, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (8) ferner einen dritten Kondensator (17) aufweist, der eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einem Mittelknoten (18), der zwischen dem ersten Kondensator (13) und dem zweiten Kondensator (15) liegt, und dem dritten Anschluss (12) ausbildet, wobei der erste Strompfad (14) und der zweite Strompfad (16) im ersten Filtermodus am dritten Kondensator (17) vorbei zum dritten Anschluss (12) und im zweiten Filtermodus über den dritten Kondensator (17) zum dritten Anschluss (12) geführt sind.
Stromrichter nach Anspruch 1, wobei die Filtereinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, im zweiten Filtermodus entlang des ersten Strompfads (14) und des zweiten Strompfads (16) jeweils eine höhere Polfrequenz für die Filterung eines Gleichtaktstroms auf der ersten Leitung (2) und der zweiten Leitung (4) als im ersten Filtermodus einzustellen.
Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mittelknoten (18) ein gemeinsamer Knoten - eines dem dritten Anschluss (12) abgewandten Anschlusses (17b) des dritten Kondensators (17), - eines dem ersten Anschluss (10) abgewandten und/oder dem zweiten Kondensator (15) zugewandten Anschlusses (13b) des ersten Kondensators (13) und - eines dem zweiten Anschluss (11) abgewandten und/oder dem ersten Kondensator (13) zugewandten Anschlusses (15a) des zweiten Kondensators (15) ist.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein dem Mittelknoten (18) abgewandter Anschluss (17a) des dritten Kondensators (17) an den dritten Anschluss (12) angeschlossen ist.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (19) einen ersten Anschluss (19a) und einen zweiten Anschluss (19b) und eine in Abhängigkeit der Steuerinformation (20) ansteuerbare Schaltstrecke aufweist.
Stromrichter nach Anspruch 5, wobei der erste Anschluss (19a) der Schalteinrichtung (19) an den Mittelknoten (18) und/oder an den dritten Kondensator (17) angeschlossen ist.
Stromrichter nach Anspruch 5 oder 6, wobei der zweite Anschluss (19b) der Schalteinrichtung (19) an den dritten Anschluss (12) der Filtereinrichtung (8) und/oder an den dritten Kondensator (17) angeschlossen ist.
Stromrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Schalteinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die Schaltstrecke zum Einnehmen des ersten Filtermodus leitend zu schalten und/oder zum Einnehmen des zweiten Filtermodus sperrend zu schalten.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (19) parallel zum dritten Kondensator (17) geschaltet ist.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (19) als bidirektional leitender und/oder sperrender Schalter ausgebildet ist.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Kapazität (C₃) des dritten Kondensators (17) kleiner als die Kapazität (C₁, C₂) des ersten Kondensators (13) und/oder des zweiten Kondensators (15) ist und/oder - die Kapazitäten (C₁, C₂) des ersten Kondensators (13) und des zweiten Kondensators (15) gleich sind.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filtereinrichtung (8) ferner einen vierten Kondensator (21) aufweist, der parallel zum ersten Kondensator (13) und zum zweiten Kondensator (15) an den ersten Anschluss (10) der Filtereinrichtung (8) und an den zweiten Anschluss (11) der Filtereinrichtung (8) angeschlossen ist.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filtereinrichtung (8) eine Leiterplatte (50) aufweist, wobei - die ersten bis dritten Kondensatoren (13, 15, 17), insbesondere auch der vierte Kondensator (21), auf der Leiterplatte (50) angeordnet sind und/oder - die ersten bis dritten Anschlüsse (10, 11, 12) der Filtereinrichtung (8) auf der Leiterplatte (50) angeordnet sind und/oder - die Schalteinrichtung (19) auf der Leiterplatte (50) angeordnet ist.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Zwischenkreiskondensator (40), der zwischen die erste Leitung (2) und die zweite Leitung (4) geschaltet ist, und eine Wandlerschaltung (41), die zwischen die erste Leitung (2) und die zweite Leitung (4) geschaltet ist, wobei die Filtereinrichtung (8) auf der der Wandlerschaltung (41) abgewandten Seite des Zwischenkreiskondensators (40) angeordnet ist.
Bordnetz (101) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug (100), aufweisend wenigstens einen Stromrichter (1, 1a, 1b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eine Traktionsbatterie (102), eine Ladeeinrichtung (103), die zum Aufladen oder Entladen der Traktionsbatterie (102) an ein fahrzeugexternes elektrisches Netz (104) anschließbar ist, und eine Steuereinrichtung (105), die dazu eingerichtet ist, die Steuerinformation (20) zum Einnehmen des zweiten Filtermodus bereitzustellen, wenn und/oder solange die Ladeeinrichtung (103) an das fahrzeugexterne elektrische Netz (104) angeschlossen ist.