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Die Erfindung betrifft ein Filter für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zum Filtern eines zwischen Bordnetzkomponenten des Bordnetzes übertragenen elektrischen Signals. Das Filter weist einen Anschluss zum Verbinden mit den Bordnetzkomponenten und zumindest eine Filterkomponente auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Filter für Bordnetze von Kraftfahrzeugen, insbesondere von elektrifizierten Kraftfahrzeugen, also Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Bordnetze weisen üblicherweise eine Vielzahl von Bordnetzkomponenten, beispielsweise Hochvoltkomponenten in Form von einer Traktionsbatterie, einem Inverter und Nebenaggregaten, beispielsweise ein Klimakompressor oder ein Gleichspannungswandler, sowie Niedervoltkomponenten in Form von einer Steuereinrichtung und einem Aktuator auf, zwischen welchen elektrische Signale übertragen werden. Zum Filtern der elektrischen Signale, beispielsweise der Versorgungsspannung für die Abschwächung von Störsignalen, werden Filter zwischen die Bordnetzkomponenten geschaltet. Dabei ist es wünschenswert, die Filteraufgaben bei minimalem Einsatz von Filterkomponenten, beispielsweise einem Zwischenkreiskondensator des Inverters, zu erfüllen. Dabei ist es vorteilhaft, das Gesamtkontingent an zulässigen Störsignalen vorwiegend auf leistungsstarke Bordnetzkomponenten zu verteilen, da der Filteraufwand überproportional mit der Leistung zunimmt. Infolgedessen macht es beispielsweise Sinn, Bordnetzkomponenten geringer Leistung über einen separaten gefilterten Anschluss an den Bordnetz von Bordnetzkomponenten hoher Leistung zu koppeln. Wenn das Bordnetz der leistungsstarken Bordnetzkomponenten seine Eigenschaften, beispielsweise seine Impedanz und dadurch sein emittiertes Störspektrum, grundsätzlich ändern kann, so muss das Filter entsprechend adaptiv gestaltet sein.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfach gestaltetes adaptives Filter für Bordnetze von Kraftfahrzeugen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Filter, ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Filter für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs dient zum Filtern eines zwischen Bordnetzkomponenten des Bordnetzes übertragenen elektrischen Signals. Das Filter weist zumindest zwei Anschlussleitungen zum Verbinden mit den Bordnetzkomponenten sowie zumindest eine Filterkomponente auf. Darüber hinaus weist das Filter eine Schalteinrichtung auf, über welche die zumindest eine Filterkomponente unter Ausbildung eines adaptiven Filters an zumindest eine der Anschlussleitungen des Filters schaltbar ist. Die Schalteinrichtung weist zumindest einen MEMS-Schalter auf, welcher als ein elektrostatisch betätigtes, mikromechanisch gefertigtes Schaltelement mit zumindest einem beweglichen Kontaktelement ausgebildet ist.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Bordnetz mit zumindest zwei Bordnetzkomponenten sowie zumindest einem erfindungsgemäßen Filter. Das Bordnetz kann beispielsweise ein Hochvoltbordnetz sein und Hochvoltkomponenten in Form von einer Traktionsbatterie und einem mit der Traktionsbatterie verbundenen Inverter bzw. Antriebsumrichter aufweisen. Zusätzlich können weitere Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes in Form von Nebenaggregaten, beispielsweise ein Gleichspannungswandler oder ein Klimakompressor, mit der Traktionsbatterie verbunden sein. Auch kann das Bordnetz ein Niedervoltbordnetz sein und Niedervoltkomponenten in Form von einer Steuereinrichtung, beispielsweise einem Motorsteuergerät, und einem Aktuator aufweisen. Zwischen den zumindest zwei elektrisch miteinander verbundenen Bordnetzkomponenten können elektrische Signale, beispielsweise eine Spannung, ein Strom, eine elektrische Leistung, etc., übertragen werden. Die Bordnetzkomponenten können dabei teilweise als Störsender auftreten, welche Störsignale bzw. Störemissionen emittieren, sodass das elektrische Signal einen Störsignalanteil aufweist. Beispielsweise sendet der Inverter Störsignale in Form von Hochfrequenzsignalen aus. Um den Störsignalanteil des elektrischen Signals zumindest zu reduzieren, weist die elektrische Verbindung das zumindest eine Filter auf. Das Filter weist die zumindest zwei Anschlussleitungen auf, welche mit den jeweiligen Anschlüssen der Bordnetzkomponenten verbunden sind. Beispielsweise kann eine erste Anschlussleitung mit ersten Anschlüssen, beispielsweise den Pluspolen, der Bordnetzkomponenten und eine zweite Anschlussleitung kann mit zweiten Anschlüssen, beispielsweise den Minuspolen, der Bordnetzkomponenten verbunden sein. Das Filter weist zumindest eine Filterkomponente mit zumindest einem Filterbauteil auf.
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Das Filter ist dabei ein adaptives Filter und dazu ausgelegt, auf Änderungen elektrischer Kenngrößen des Bordnetzes, beispielsweise einer Änderung der Impedanz und damit des ausgesendeten Störspektrums, zu reagieren. Eine Impedanzänderung kann beispielsweise in dem Fall auftreten, dass die Traktionsbatterie zumindest zwei Batterieeinheiten aufweist, welche über eine Schaltvorrichtung des Bordnetzes unter Veränderung einer Spannungslage der Traktionsbatterie parallel oder seriell verschaltbar ist. Die Schaltvorrichtung, welche auch als Umschaltmatrix bezeichnet wird, dient dazu, die Spannungslage der Traktionsbatterie zu variieren, beispielsweise, um im Ladebetrieb eine erste Spannungslage und im Fahrbetrieb eine größere zweite Spannungslage bereitzustellen. Dazu können die Batterieeinheiten zum Bereitstellen der ersten Spannungslage parallel und zum Bereitstellen der zweiten Spannungslage seriell verschaltet werden. Hierfür kann die Schaltvorrichtung beispielsweise mehrere Hochvoltschütze aufweisen. Diese Veränderung der Spannungslage hat eine veränderte Impedanz des Bordnetzes zur Folge. Dadurch können sich auch die Frequenzen der Störsignalanteile des elektrischen Signals verändern, welche mittels des Filters unterdrückt werden sollen. Auch kann der Inverter ein Störspektrum, beispielsweise eine Störspannung oder einen Störstrom aussenden, welcher Anteile bzw. Vielfache der Drehzahl der elektrischen Maschine aufweist. Auch kann sich die Frequenz des Störspektrums mit der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ändern.
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Zum Bereitstellen der Anpassung des Filters an variierende Frequenzen des Störsignals ist zumindest eine Filterkomponente des Filters an zumindest eine der Anschlussleistungen des Filters und damit in die elektrische Verbindung zwischen den Bordnetzkomponenten schaltbar. Anders ausgedrückt kann die zumindest eine Filterkomponente mit zumindest einer der Anschlussleitungen elektrisch verbunden werden und wieder von der zumindest einen Anschlussleitung getrennt werden. Es kann auch zumindest zwei schaltbare Filterkomponente vorgesehen sein, wobei jeweils eine Filterkomponente an eine Anschlussleitung schaltbar ist. Auch kann das Filter zumindest eine Filterkomponente aufweisen, welche an beide Anschlussleitungen schaltbar ist. Die zumindest eine Filterkomponente kann beispielsweise zumindest eine Spule, zumindest einen Kondensator, einen Widerstand, eine Verschaltung aus zumindest einer Spule und einem Kondensator, also ein LC-Glied bzw. einen Schwingkreis, oder auch andere Filterbauteile aufweisen. Insbesondere weist das Filter mehrere Filterstufen mit zumindest einer Filterkomponente pro Filterstufe auf, welche an zumindest eine der Anschlussleitungen des Filters schaltbar ist.
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Die Schalteinrichtung, über welche die zumindest eine Filterkomponente schaltbar ist, weist als Schalter zumindest einen MEMS (Mikroelektromechanisches System) -Schalter auf. Der zumindest eine MEMS-Schalter wird von einer Steuereinheit zum Schalten angesteuert. Die Steuereinheit kann in den Filter integriert sein oder Teil eines filterexternen Steuergerätes sein. Der MEMS-Schalter ist ein Bauteil mit Mikrometerabmessungen, welches mittels eines Ätzverfahrens aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, hergestellt ist. MEMS-Schalter weisen dabei im Gegensatz zu elektronischen Schaltern aus Halbleitermaterial die Funktionsweise von mechanischen Schaltern auf und besitzen somit jeweils ein bewegliches, schwingfähiges Kontaktelement, welches mit einem, insbesondere ortsfesten, Kontaktelement zum Schließen des Schalters in Kontakt gebracht werden kann und zum Öffnen des Schalters beabstandet angeordnet werden kann. Zum Schalten von als „normally open“-Kontakten ausgebildeten MEMS-Schalter, also zum Öffnen und Schließen der MEMS-Schalter können diese einen Ansteueranschluss aufweisen, sodass der Schalter elektrostatisch betätigt werden kann. Sobald eine Gleichspannung an den Ansteueranschluss des MEMS-Schalters angelegt wird, wirkt auf das bewegliche Kontaktelement aus Halbleitermaterial eine elektrostatische Zugkraft, welche bei entsprechend hohem Wert eine Federkraft des beweglichen Kontaktelementes bzw. Schaltkontaktes überschreitet. Dieser Schaltkontakt bewegt sich dann in Richtung des anderen, beispielsweise ortsfesten, Schaltkontaktes, bis sich die Schaltkontakte berühren. Nun ist der MEMS-Schalter geschlossen. Sobald die Spannung am Ansteueranschluss abgeschaltet wird, verschwindet die elektrostatische Anziehungskraft und der bewegliche Schaltkontakt bewegt sich aufgrund der Federkraft wieder in seine Ursprungsposition beabstandet zu dem anderen Schaltkontakt zurück. Nun ist der MEMS-Schalter geöffnet. Alternativ dazu können die MEMS-Schalter auch als „normally closed“-Kontakte ausgebildet sein. In diesem Fall werden sich durch Anlegen der Steuerspannung geöffnet.
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Solche MEMS-Schalter weisen im Gegensatz zu elektronischen Schaltern aus Halbleitermaterial den Vorteil auf, dass sie im geöffneten bzw. abgeschalteten Zustand keine Ruhe- bzw. Leckströme führen. Außerdem können im geschlossenen Zustand des MEMS-Schalters hohe Frequenzen dämpfungsfrei übertragen werden, sodass die MEMS-Schalter im relevanten Frequenzbereich nur eine sehr geringe Einfügedämpfung aufweisen. MEMS-Schalter kommen somit idealen Schaltern besonders nahe. Darüber hinaus sind solche MEMS-Bauteile kostengünstig in hohen Stückzahlen fertigbar und weisen ein geringes Gewicht sowie einen geringen Bauraumbedarf auf.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass bei zumindest einer Filterstufe alle Filterkomponenten zum Umschalten zwischen den Filterkomponenten mittels jeweils zumindest eines MEMS-Schalters an zumindest eine der Anschlussleitungen schaltbar sind. Alternativ oder zusätzlich ist bei zumindest einer Filterstufe zumindest eine Filterkomponente dauerhaft mit zumindest einer der Anschlussleitungen verbunden und zumindest eine Filterkomponente ist zum Zuschalten und Abschalten der Filterkomponente mittels zumindest eines MEMS-Schalters an die zumindest eine Anschlussleitung schaltbar. Im Falle, dass bei einer Filterstufe alle Filterkomponenten mittels MEMS-Schaltern schaltbar sind, kann somit zwischen den einzelnen Filterkomponenten, je nach relevantem Frequenzbereich, umgeschaltet werden, sodass jede Filterkomponente separat sowie eine beliebige Anzahl an Filterkomponenten pro Filterstufe an eine oder beide Anschlussleitungen geschaltet werden kann. Im Falle, dass die Filterstufe zumindest eine dauerhaft mit zumindest einer der Anschlussleitungen verbundene Filterkomponente und zumindest eine schaltbare Filterkomponente aufweist, kann die schaltbare Filterkomponente bedarfsgerecht an die zumindest eine Anschlussleitung geschaltet werden und somit zu der dauerhaften Filterkomponente zugeschaltet werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug aufweisend ein erfindungsgemäßen Bordnetz. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Filter vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Bordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug;
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung eines Bordnetzes; und
- 3 ein Schaltplan für eine Ausgestaltung eines adaptiven Filters für ein Bordnetz.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen eines Bordnetzes 1, welches gemäß 1 als ein Hochvoltbordnetz und gemäß 2 als ein Niedervoltbordnetz ausgebildet ist. Die Bordnetze 1 weisen Bordnetzkomponenten 2, 3 auf. Gemäß 1 ist die Bordnetzkomponente 2 als eine Traktionsbatterie 4 und die Bordnetzkomponente 3 als ein Inverter 5 ausgebildet. Daneben existieren weitere, mit der Traktionsbatterie 4 verbundene Bordnetzkomponenten 6, beispielsweise ein elektrischer Kältemittelverdichter (eKMV) 7, ein elektrischer Zuheizer (EDH) 8 oder eine variable, an die Traktionsbatterie 4 schaltbare Bordnetzkomponente 9. Gemäß 2 ist die Bordnetzkomponente 2 als eine Steuereinrichtung 10, beispielsweise ein Mikrocontroller, und die Bordnetzkomponente 3 als ein Aktuator 11 ausgebildet.
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Das Bordnetz 1 weist außerdem ein Filter 12 auf, welches zwischen die Bordnetzkomponenten 2, 3 geschaltet ist. Gemäß 1 sind der Inverter 5 und das Filter 12 Komponenten einer Leistungselektronik 13 und gemäß 2 sind das Filter 12 und die Steuereinrichtung 10 Komponenten eines Steuergeräts 14, beispielsweise eines Motorsteuergeräts. Das Filter 12 dient zum Reduzieren von Störsignalen und ist außerdem an unterschiedliche Frequenzbereiche anpassbar bzw. adaptiv.
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Das Filter 12 ist als ein adaptives Filter ausgebildet, wobei ein beispielhafter Schaltplan eines solchen Filters 12 in 3 gezeigt. Das Filter 12 weist zwei Anschlussleitungen A1 A2 auf, welche an eingangsseitigen Anschlüssen A1a, A2a mit der ersten Bordnetzkomponente 2 und an ausgangsseitigen Anschlüssen A1b, A2b mit der zweiten Bordnetzkomponente 3 verbunden sind. Dadurch, dass das Filter 12 adaptiv ausgebildet ist, kann es an einen variablen Frequenzbereich des elektrischen Signals und damit des Störsignalanteils des elektrischen Signals angepasst werden, welcher beispielsweise aus einer, insbesondere aktiv hervorgerufenen, Impedanzänderung des Bordnetzes 1 resultiert. Das Filter 12 kann als ein mehrstufiges Filter ausgebildet sein und weist hier drei Filterstufen S1, S2, S3 auf. Jede Filterstufe S1, S2, S3 weist mehrere Filterkomponenten K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9, K10 auf. Die erste Filterstufe S1 weist vier Filterkomponenten K1, K2, K3, K4 in Form von Spulen L bzw. Induktivitäten auf. Die zweite Filterstufe S2 weist vier Komponenten K5, K6, K7, K8 in Form von Kondensatoren C, hier mit der Fahrzeugmasse verbundene Y-Kondensatoren, auf und die dritte Filterstufe S3 weist zwei Filterkomponenten K9, K10 auf, welche jeweils ein Serienschwingkreis bestehend aus einer Spule L und einem Kondensator C aufweisen, welche ebenfalls mit der Fahrzeugmasse verbunden sind.
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Pro Filterstufe S1, S2, S3 ist zumindest eine der Filterkomponenten K1 bis K10 schaltbar an eine der Anschlussleitungen A1, A2 des Filters 12, welche mit Polen der Bordnetzkomponenten 2, 3 verbunden sind, ausgebildet. Dazu ist eine Schalteinrichtung mit MEMS-Schaltern M1, M2, M3, M4, M5, M6 vorgesehen, welche die Filterkomponenten K1, K3, K7, K8, K9, K10 an die Anschlussleitungen A1, A2 schalten kann. Die Filterkomponenten K2 und K5 der ersten Filterstufe S1 und der zweiten Filterstufe S2 sind hier dauerhaft mit der Anschlussleitung A1 verbunden, welche beispielsweise mit den Pluspolen der Bordnetzkomponenten 2, 3 verbunden ist. Die Filterkomponenten K4 und K6 der ersten Filterstufe S1 und der zweiten Filterstufe S2 sind hier dauerhaft mit der Anschlussleitung A2 verbunden, welche beispielsweise mit den Minuspolen der Bordnetzkomponenten 2, 3 verbunden ist. Somit sind in der ersten Filterstufe S1 die Filterkomponenten K1, K3 zu den Filterkomponenten K2, K4 schaltbar, indem die Filterkomponente K1 an die Anschlussleitung A1 und die Filterkomponente K3 an die Anschlussleitung A2 geschaltet werden kann. Bei der zweiten Filterstufe S2 sind die Filterkomponenten K7, K8 zu den Filterkomponenten K5, K6 schaltbar, indem die Filterkomponente an die Anschlussleitung A1 und die Filterkomponente K8 an die Anschlussleitung A2 geschaltet werden kann. Bei der Filterstufe S3 sind alle Filterkomponenten K9, K10 zuschaltbar und abschaltbar, sodass die gesamten S3 zuschaltbar und abschaltbar ist.
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Hier sind lediglich Filterkomponenten K1, K3, K7, K8, K9, K10 gezeigt, welche an jeweils eine der Anschlussleitungen A1, A2 und somit an einen Pol der Bordnetzkomponenten 2, 3, schaltbar sind. Es können aber auch hier nicht dargestellte Filterkomponenten vorgesehen sein, welche an beide Anschlussleitungen A1, A2 und somit zwischen die Pole der Bordnetzkomponenten 2, 3 schaltbar sind. Solche Filterkomponenten sind beispielsweise X-Kondensatoren.
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Die MEMS-Schalter M1 bis M6 sind dabei mikroelektromechanische Schalter, welcher eine geringe Einfügedämpfung und einen nahezu unendlichen Widerstand im geöffneten Zustand aufweisen. Die MEMS-Schalter M1 bis M6 sind durch Ätzprozesse eines Halbleitermaterials, beispielsweise Silizium oder Galliumarsenid, ausgebildet. Die Funktionsweise der MEMS-Schalter M1 bis M6 entspricht der eines mechanischen Relais im Mikrometer-Maßstab.
