EP4573644A1 - Adaptives filter mit y-kondensatoren für 3-leitungs-dc-bordnetz - Google Patents

Adaptives filter mit y-kondensatoren für 3-leitungs-dc-bordnetz

Info

Publication number
EP4573644A1
EP4573644A1 EP23739256.8A EP23739256A EP4573644A1 EP 4573644 A1 EP4573644 A1 EP 4573644A1 EP 23739256 A EP23739256 A EP 23739256A EP 4573644 A1 EP4573644 A1 EP 4573644A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capacitor
connection
line
power converter
filter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23739256.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Bucher
Maximilian GERNER
Guido RASEK
Mathias Baumann
Dimitri PUNDJAK
Michael LÖBEL
Madhavi Dhara
Rainer Edelhäuser
Simon SCHMIDT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo eAutomotive Germany GmbH
Original Assignee
Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo eAutomotive Germany GmbH filed Critical Valeo eAutomotive Germany GmbH
Publication of EP4573644A1 publication Critical patent/EP4573644A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from DC input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/02—Arrangements for reducing harmonics or ripples
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/08—Three-wire DC power distribution systems; Systems having more than three wires
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2105/00—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load
    • H02J2105/30—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles
    • H02J2105/33—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles exchanging power with road vehicles
    • H02J2105/37—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles exchanging power with road vehicles exchanging power with electric vehicles [EV] or with hybrid electric vehicles [HEV]

Definitions

  • the present invention relates to a power converter for an on-board electrical system of an electrically driven vehicle, having a first line for a first potential, a second line for a second potential, a third line for a reference potential and a filter device which has a first connection which is connected to the first line is connected, a second connection, which is connected to the second line, a third connection, which is connected to the third line, a first capacitor, via which a first current path is led from the first connection to the third connection, a second capacitor , via which a second current path is led from the second connection to the third connection, and a switching device which is set up to switch between a first filter mode and a second filter mode depending on control information.
  • the invention relates to an on-board electrical system for an electrically driven vehicle.
  • the DE 10 2017 220 982 A1 discloses a traction network in an electric or hybrid vehicle.
  • the traction network includes a high-voltage battery that is connected to a pulse inverter via a positive high-voltage line and a negative high-voltage line.
  • a Y capacitor is connected to the positive and negative high-voltage lines.
  • the Y capacitors are assigned a switching element that can be controlled by a control unit depending on at least one operating state.
  • the DE 10 2021 003 180 A1 discloses an electrical system for an electrically operated vehicle with a first electrical potential line and a second electrical potential line, between which the vehicle electrical system with a DC electrical voltage is applied.
  • the vehicle electrical system has two first interference suppression capacitors, which are electrically connected in series and are each electrically coupled to the potential lines with a connection.
  • the on-board electrical system also has another interference suppression capacitor and a switch.
  • on-board electrical systems in particular high-voltage on-board electrical systems, are typically designed as IT systems in which a first and second potential of a traction battery are isolated from a reference potential, in particular a vehicle housing potential.
  • Power converters that are used in such on-board electrical systems and whose first and second lines can be connected to the first and second potential of the traction battery can generate high-frequency interference signals during their operation, which must be filtered using a filter device for reasons of electromagnetic compatibility.
  • a filter device has two capacitors, which serve in particular to derive a common mode current on the first and second lines to a third line that is at the reference potential.
  • the amount of energy stored in the first and second capacitors of the filter device also increases with the square of the vehicle electrical system voltage.
  • Relevant standards such as ISO 6469-3, limit this amount of energy to a specified value.
  • electrical charges stored in the capacitors and flowing out via the third line can be kept below a limit that is dangerous for the human body.
  • an energy budget specified by the design of the on-board electrical system must therefore be adhered to.
  • the invention is based on the object of providing an improved possibility for operating a power converter in an on-board electrical system of an electrically driven vehicle.
  • the filter device further has a third capacitor which forms an electrically conductive connection between a center node, which lies between the first capacitor and the second capacitor, and the third connection, whereby the first current path and the second current path are led past the third capacitor to the third connection in the first filter mode and to the third connection via the third capacitor in the second filter mode.
  • the power converter according to the invention has a first line for a first potential, a second line for a second potential and a third line for a reference potential.
  • the power converter also has a filter device.
  • the filter device has a first connection, a second connection and a third connection.
  • the first port is connected to the first line.
  • the second connection is where the second line is connected.
  • the third port is connected to the third line.
  • the filter device further has a first capacitor, a second capacitor and a third capacitor.
  • a first current path from the first connection is via the first capacitor led to the third connection.
  • a second current path is led from the second connection to the third connection via the second capacitor.
  • the third capacitor forms an electrically conductive connection between a center node and the third connection.
  • the middle node lies between the first capacitor and the second capacitor.
  • the filter device also has a switching device.
  • the switching device is set up to switch between a first filter mode and a second filter mode depending on control information.
  • the first filter mode the first current path and the second current path are led past the third capacitor to the third connection.
  • the second filter mode the first current path and the second current path are routed to the third connection via the third capacitor.
  • the first and second current paths are guided past the third capacitor in the first filter mode, so that the capacitances of the first capacitor and the second capacitor can essentially act as Y capacitances.
  • This enables particularly efficient suppression of common mode interference on the first line and the second line.
  • the first current path and the second current path are routed via the third capacitor.
  • the third capacitor can thus advantageously provide a well-defined capacitance between the center node and the third connection, which allows a precise determination of an energy budget when designing the power converter.
  • the effective Y capacitances of the filter device in the second filter mode can be reduced compared to the first filter mode.
  • the temporal course of a body current in the event of an insulation fault can also be limited more precisely, since by specifying the capacitance of the third capacitor, the equivalent capacitance in the second filter mode and thus that resulting from the equivalent capacitance and the body resistance Discharge time constant can be placed in a range with little or no risk of fibrillation.
  • a Another advantage of the power converter according to the invention is that the capacitances of the first capacitor and the second capacitor also partially act as X capacitances due to the presence of the third capacitor in the second filter mode and thus enable greater suppression of push-pull interference.
  • the power converter according to the invention can be designed as an inverter, as a DC-DC converter or as an active rectifier.
  • the power converter according to the invention can further have a housing in which at least the first line, the second line, the third line and the filter device are accommodated.
  • the third line can be connected to the housing in an electrically conductive manner.
  • the reference potential can also be understood as housing potential.
  • the first potential is different from the second potential.
  • the first potential is preferably greater than the second potential.
  • the reference potential is preferably between the first potential and the second potential.
  • the reference potential can also be understood as ground potential.
  • the first line and the second line are each designed completely or at least in sections as solid busbars.
  • the first and second lines can be connected to a DC voltage connection of the power converter, on which in particular a connection device for electrically contacting the power converter with a DC voltage source is formed.
  • the filter device is preferably arranged on the DC voltage connection side.
  • the third line is not necessarily designed as a busbar.
  • the third line can be formed by a cable, a ground surface or by a fastening means through which the filter device is fastened in the power converter, in particular to the housing.
  • the first capacitor, the second capacitor and the third capacitor can each have a first connection and a second connection between which the capacitance of the capacitor is provided.
  • the first connection of the first capacitor can be connected to the first connection of the filter device.
  • the second connection of the second capacitor can be connected to the second connection of the filter device.
  • the first capacitor, the second capacitor and the third capacitor can each be formed by a capacitor component or a plurality of capacitor components connected to one another.
  • the switching device is preferably a semiconductor switching device, which in particular has one or more transistor structures.
  • the switching device it is also possible for the switching device to be an electromechanical switching device, which has, for example, one or more relays.
  • an electrically conductive connection from the center node to the third connection completely bypasses the third capacitor.
  • a further current path to be routed along the third capacitor in the first filter mode.
  • the further current path preferably has a higher impedance than the sections of the first and second current paths leading past the third capacitor.
  • the filter device of the power converter according to the invention is preferably set up to set a higher pole frequency along the first current path and the second current path in the second filter mode for filtering a common mode current on the first line and the second line than in the first filter mode.
  • the discharge time constant which results from the effective Y capacitance and a body resistance, can be advantageously modified.
  • the middle node is a common node of a connection of the third capacitor facing away from the third connection, a connection of the first capacitor facing away from the first connection and / or facing the second capacitor and a connection of the first capacitor facing away from the second connection and / or the first capacitor facing connection of the second capacitor.
  • connection of the third capacitor facing away from the third connection can correspond to the second connection of the third capacitor.
  • the connection of the first capacitor facing away from the first connection of the filter device or towards the second capacitor can correspond to the second connection of the first capacitor.
  • the connection of the second capacitor facing away from the second connection of the filter device or towards the first capacitor can correspond to the first connection of the second capacitor.
  • connection of the third capacitor facing away from the center node is connected to the third connection.
  • the connection of the third capacitor facing away from the center node can correspond to the first connection of the third capacitor.
  • the switching device of the power converter it is preferred if the switching device has a first connection and a second connection and a switching path that can be controlled depending on the control information.
  • the first connection of the switching device can be connected to the middle node and/or to the third capacitor, in particular to its second connection.
  • the first connection of the switching device, the middle node and the second connection of the third capacitor form a common circuit node.
  • the second connection of the switching device can be connected to the third connection of the filter device and/or to the third capacitor, in particular to its first connection.
  • the second connection of the switching device forms the third connection the filter device and the first connection of the third capacitor form a common circuit node.
  • the switching device is set up to switch the switching path to conductive to assume the first filter mode and/or to switch it to blocking to assume the second filter mode.
  • the switching device is connected in parallel to the third capacitor. Then the first current path and the second current path can be guided past the third capacitor in the first filter mode via the switching device.
  • the switching device can be designed as a bidirectionally conducting and/or blocking switch.
  • the capacity of the third capacitor can be smaller than the capacity of the first capacitor.
  • the capacity of the third capacitor can be smaller than the capacity of the second capacitor.
  • the capacitances of the first capacitor and the second capacitor can be the same. This enables a particularly symmetrical voltage distribution across the first and second capacitors.
  • the filter device can further have a fourth capacitor which is connected in parallel to the first capacitor and to the second capacitor to the first connection of the filter device and to the second connection of the filter device.
  • the fourth capacitor can provide a fixed X capacitance.
  • the filter device has a circuit board.
  • the first to third capacitors can be arranged on the circuit board.
  • the fourth capacitor can also be arranged on the circuit board.
  • the first to third connections of the filter device can be arranged on the circuit board.
  • the switching device can be arranged on the circuit board.
  • the power converter according to the invention can also have an intermediate circuit capacitor which is connected between the first line and the second line.
  • the power converter according to the invention can further have a converter circuit which is connected between the first line and the second line.
  • the converter circuit can have power semiconductor switches, which are connected in particular as a switching cell, power bridge or as a B6 bridge circuit, in order to convert the voltage present between the first line and the second line in a switching operation.
  • the filter device is preferably arranged on the side of the intermediate circuit capacitor facing away from the converter circuit.
  • the power converter according to the invention can further have inductive filter elements which act as longitudinal inductances in the first line and the second line and are arranged on the intermediate circuit capacitor side and/or on the DC voltage input side, in particular spatially close to the filter device.
  • the filter elements can be formed around the lines by ferrite cores, for example nanocrystalline cores, iron powder cores or other cores made of magnetic material.
  • Parasitic inductances along the first line and the second lines between the DC voltage connection on the one hand and the first connection and the second connection of the filter device or the are preferred DC voltage connection side filter elements, on the other hand, are lower than parasitic inductances between the first connection and the second connection of the filter device or the intermediate circuit capacitor side filter elements on the one hand and the intermediate circuit capacitor on the other hand.
  • the first filter mode can advantageously be specified in a ferry operation of the vehicle or the on-board electrical system and the second filter mode can be specified in a charging operation.
  • a power converter of the vehicle electrical system can be designed as an inverter which is designed to electrically supply an electrical machine, in particular a permanently or electrically excited synchronous machine, an axial flux motor or an asynchronous machine, with a multi-phase alternating voltage for driving the vehicle.
  • a power converter of the on-board electrical system can form part of the charging device and can be set up to convert a direct or alternating voltage provided by the vehicle-external electrical network into a direct voltage for charging the traction battery.
  • a power converter of the on-board electrical system can be designed as a DC-DC converter, which is set up to couple the on-board electrical system with another on-board electrical system, in particular a low-voltage on-board electrical system, of the vehicle.
  • a potential of the low-voltage electrical system can correspond to the reference potential.
  • the on-board electrical system can also have an electrical line, for example an electrically conductive fastening or a ground strap, by means of which the third line of the at least one power converter is electrically conductively connected to a body of the vehicle.
  • an electrical line for example an electrically conductive fastening or a ground strap
  • FIG. 1 is a circuit diagram of an exemplary embodiment of the power converter according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the power converter according to the exemplary embodiment
  • Fig. 3 is a block diagram of an exemplary embodiment of the on-board electrical system according to the invention in a vehicle.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of an exemplary embodiment of a power converter 1.
  • the power converter 1 has a first line 2 for a first potential 3, a second line 4 for a second potential 5, and a third line 6 for a reference potential 7, which can also be considered a ground potential.
  • the first potential 3 is higher than the second potential 5 and the power converter 1 is set up to be operated with a potential difference between the first potential 3 and the second potential 5 of 800 volts.
  • the reference potential 7 is, for example, between the first potential 3 and the second potential 5.
  • the power converter 1 also has a filter device 8.
  • the filter device 8 serves as an interference filter, i.e. to improve the electromagnetic compatibility of the power converter 1, and is preferably arranged close to a DC voltage connection 9.
  • the filter device 8 has a first connection 10, which is connected to the first line 2, a second connection 11, which is connected to the second line 4, and a third connection 12, which is connected to the third line 6.
  • the filter device has a first capacitor 13, via which a first current path 14 is led from the first connection 10 to the third connection 12, and a second capacitor 15, via which a second current path 16 is led from the second connection 11 to the third connection 12 .
  • the current paths 14, 16 are illustrated purely schematically in FIG. 1 by dashed lines.
  • the filter device has a third capacitor 17, which forms an electrically conductive connection between a center node 18, which lies between the first capacitor 13 and the second capacitor 15, and the third connection 12.
  • the filter device 8 has a switching device 19.
  • the switching device 19 is set up to switch between a first filter mode and a second filter mode depending on control information 20.
  • the first filter mode the first current path 14 and the second current path 16 are led past the third capacitor 17 to the third connection 12.
  • the second filter mode the first current path 14 and the second current path 16 are routed via the third capacitor 17 to the third connection 12.
  • the capacitances Ci, C2 of the first capacitor 13 and the second capacitor 15 can act in the first filter mode as Y capacitances for filtering common mode interference on the first and second lines 2, 4.
  • the capacitances Ci, C2 together with the capacitance C3 of the third capacitor 17 form a capacitor network, which in particular is a provides a well-defined capacitance between the center node 18 and the third connection 12 and additionally provides an X capacitance for filtering push-pull interference on the first line 2 and the second line 4.
  • the filter device 8 is set up to set a higher pole frequency for filtering a common mode current on the first line 2 and the second line 4 along the first current path 14 and the second current path 16 in the second filter mode than in the first filter mode.
  • the first capacitor 13 has a first connection 13a and a second connection 13b.
  • the second capacitor 15 has a first connection 15a and a second connection 15b.
  • the third capacitor has a first connection 17a and a second connection 17b.
  • the switching device has a first connection 19a and a second connection 19b, between which a switching path that can be controlled depending on the control information 20 is formed.
  • the filter device 8 in the present exemplary embodiment is realized in particular in that the switching device 19 is connected in parallel to the third capacitor 17 and is set up to switch the switching path on to assume the first filter mode and to switch it off to assume the second filter mode.
  • the first connection 19a of the switching device 19 is connected to the second connection 17b of the third capacitor 17 and the second connection 19b of the switching device 19 is connected to the first connection 17a of the third capacitor 17.
  • the first connection 17a of the third capacitor 17, which faces away from the center node 18, is connected to the third connection 12 of the filter device 8.
  • the second terminal 17b of the third capacitor 17 is connected to the center node 18.
  • the third connection 12 of the filter device 8, the first connection 17a of the third capacitor 17 and the second connection 19b of the switching device 19 form a common circuit node of the filter device 8.
  • the middle node 18 forms second connection 17b of the third capacitor 17 and the first connection 19a of the switching device 19 form a common circuit node of the filter device 8.
  • the first connection 13a of the first capacitor 13 is connected to the first connection 10 of the filter device 8.
  • the second connection 15b of the second capacitor 15 is connected to the second connection 11 of the filter device 8.
  • the middle node 18 further forms a common node of the second connection 13b of the first capacitor 13, the first connection 15a of the second capacitor 15 and the second connection 17b of the third capacitor 17.
  • the switching device 19 assumes the second filter mode by opening the switching path, the following equivalent capacity Ceq results for the filtering of common mode interference:
  • a fourth capacitor 21 with a first connection 21 a and a second connection 21 b of the filter device 8 is optionally provided.
  • the fourth capacitor 21 is connected in parallel to the first capacitor 13 and to the second capacitor 15 to the first connection 10 of the filter device 8 and to the second connection 11 of the filter device 8.
  • the first connection 10 of the filter device 8, the first connection 13a of the first capacitor 13 and the first connection 21a of the fourth capacitor 21 form a common circuit node.
  • the second connection 11 of the filter device 8, the second connection 15b of the second capacitor 15 and the second connection 21b of the fourth capacitor 21 form a common circuit node.
  • the fourth capacitor 21 provides a fixed X capacitance.
  • FIG. 1 further shows an intermediate circuit capacitor 40, which is connected between the first line 2 and the second line 4, and a converter circuit 41, which is connected between the first line 2 and the second line 4.
  • the filter device 8 is arranged on the side of the intermediate circuit capacitor 40 facing away from the converter circuit 41.
  • the power converter 1 also has four inductive filter elements 42, 43, 44, 45, which act as longitudinal inductances in the lines 2, 4 and are formed, for example, by ferrite cores around the lines 2, 4.
  • the filter elements 42 to 45 are arranged close to the filter device 8.
  • the filter elements 42, 44 are arranged on the DC input side with respect to the filter device 8.
  • the filter elements 43, 45 are arranged on the intermediate circuit capacitor side with respect to the filter device 8.
  • FIG. 1 also shows schematically parasitic inductances Li P , Lin along the first line 2 and the second line 4 between the DC voltage connection 9 and the filter device 8 or the filter elements 42, 44 as well as parasitic inductances L2 P , L2n along the first line 2 or the second line 4 between the filter device 8 or the filter elements 43, 45 and the intermediate circuit capacitor 40.
  • the arrangement of the filter device 8 can be chosen so that Li P and Lin are less than L2 P and L2n in order to enable the most efficient filtering possible.
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the power converter 1 according to the exemplary embodiment.
  • the filter device 8 has a circuit board 50 on which the connections 10, 11, 12, the capacitors 13, 15, 17, 21 and the switching device 19 are arranged.
  • the first line 2 and the second line 4 are each formed by solid busbars 51, 52, which are contacted with the connections 10, 11 on the circuit board 50.
  • the DC voltage connection 9 designed as a connection device 53 is connected to a first end of the busbars 51, 52.
  • the converter circuit 41 is connected to a second end of the busbars 51, 52.
  • the intermediate circuit capacitor 40 is also contacted with the busbars 51, 52 and, based on the length of the busbars 51, can be located closer to the converter circuit 41 than to the filter device 8.
  • the third connection 12 of the filter device 8 is not contacted with the busbars 51, 52, but is connected to a housing 55 of the power converter 1 by means of a fastening means 54, which forms the third line 6.
  • the reference potential 7 can therefore also be understood as a housing potential.
  • the lines 2, 4 or the busbars 51, 52, the filter device 8, the intermediate circuit capacitor 40 and the converter circuit 41 are housed in the housing 55.
  • the power converter 1 can be designed as an inverter, DC-DC converter or as an active rectifier.
  • the converter circuit 41 has suitable semiconductor switching elements for this purpose.
  • FIG. 3 is a block diagram of an exemplary embodiment of an on-board electrical system 101 in a vehicle 100.
  • the on-board electrical system 101 has a traction battery 102 with a nominal voltage of, for example, 800 volts, a charging device 103, which can be connected to an electrical network 104 external to the vehicle for charging or discharging the traction battery 102, and a control device 105, which is set up to provide the control information 20, on.
  • the on-board electrical system 101 can be considered a high-voltage on-board electrical system since its operating voltage is regularly above 60 V.
  • the vehicle electrical system 101 has a power converter 1 according to the previously described exemplary embodiment, which is designed as an inverter.
  • the power converter 1 is set up to electrically supply an electrical machine 106 of the vehicle electrical system 101 for driving the vehicle 100 with a multi-phase alternating voltage.
  • the electrical machine 106 is, for example, a permanently or electrically excited synchronous machine, an axial flux machine or an asynchronous machine.
  • the control device 105 communicates with the charging device 103 via a signal line symbolized by a double arrow.
  • the control device 105 is set up to provide the power converters 1, 1 a, 1 b with the control information 20 for adopting the second filter mode if and as long as the charging device 103 is connected to the vehicle-external electrical network 104 is connected.
  • the second filter mode can therefore be viewed in particular as a charging mode.
  • the control information 20, on the other hand, is provided in particular for entering the first filter mode when the charging device 103 is separated from the vehicle-external electrical network 104 and when the vehicle 100 is driving.
  • the first filter mode can therefore also be viewed as a driving mode.
  • the on-board electrical system 101 can also have electrical conductors, by means of which the third line 6 (see FIG. 1) of a respective power converter 1, 1 a, 1 b is electrically conductively connected to a body 108 of the vehicle 101, so that the reference potential 7 also can be understood as body potential. This is also one of the potentials of the additional on-board electrical system 107.
  • the vehicle 100 can accordingly be designed as a battery-electric vehicle (BEV) or as a hybrid vehicle.
  • BEV battery-electric vehicle

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

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), 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, – 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

ADAPTIVES FILTER MIT Y-KONDENSATOREN FÜR 3-LEITUNGS-DC-BORDNETZ
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 F iltereinrichtung, 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 Kon- densatoren 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 Strom pfad 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 ver- schaltete 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 Fährbetrieb 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:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stromrichters;
Fig. 2 eine Prinzipskizze des Stromrichters gemäß dem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bordnetzes in einem Fahrzeug.
Fig. 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 Fig. 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 Ci , 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 Ci , 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 F i Iterein- richtung 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 Ceq für die Filterung von Gleichtaktstörungen:
Mit der Annahme, dass die Ci = C2 = Co gleich groß sind, folgt daraus:
Wird nun C3 als Verhältnis zu Co durch C3 = k Co ausgedrückt folgt daraus: 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.
Fig. 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 Fig. 1 schematisch parasitäre Induktivitäten LiP, Lin 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 L2P, L2n 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 LiP und Lin geringer als L2P und L2n sind, um eine möglichst effiziente Filterung zu ermöglichen.
Fig. 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.
Fig. 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 1 b gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel auf, der als Gleichspannungswandler ausgebil- det ist. Der Stromrichter 1 b 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 , 1 a, 1 b 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 fahrzeugex- ternen 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 Fig. 1 ) eines jeweiligen Stromrichters 1 , 1 a, 1 b mit einer Ka- rossiere 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.

Claims

Patentansprüche
1 . Stromrichter (1 , 1 a, 1 b) 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (19) parallel zum dritten Kondensator (17) geschaltet ist.
10. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (19) als bidirektional leitender und/oder sperrender Schalter ausgebildet ist.
11 . Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Kapazität (Cs) des dritten Kondensators (17) kleiner als die Kapazität (Ci, C2) des ersten Kondensators (13) und/oder des zweiten Kondensators (15) ist und/oder
- die Kapazitäten (Ci, C2) des ersten Kondensators (13) und des zweiten Kondensators (15) gleich sind.
12. 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.
13. 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.
14. 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 Filterein- richtung (8) auf der der Wandlerschaltung (41 ) abgewandten Seite des Zwischenkreiskondensators (40) angeordnet ist.
15. Bordnetz (101 ) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug (100), aufweisend wenigstens einen Stromrichter (1 , 1a, 1b) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, 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 fahr- zeugexterne elektrische Netz (104) angeschlossen ist.
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