JP5912155B2 - 電気自動車の低電圧端emiフィルタ - Google Patents

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Description

本発明は電気自動車の低電圧端EMIフィルタに関するものであり、より詳しくは、低電圧バッテリを充電する電装品各部でEMIノイズを低減し、低電圧バッテリを充電する際に発生するノイズを自動車のシャーシグラウンド(GND、接地)に迅速に通過させる電気自動車の低電圧端EMIフィルタに関するものである。
最近、環境問題のため環境にやさしい自動車に対する関心が増大しており、環境にやさしい自動車のうち電気自動車の量産化及び大衆化に対する期待が高まっている。特に、電気自動車の電装部品の高い電気的使用特性のため、電磁妨害(Electro Magnetic Interference、EMI)に関するノイズ低減技術に対する関心が増大している。また、国内外の電気自動車OEMでは、電装品のEMIノイズを低減するために規制値を強化している実情にある。よって、電装部品会社はより厳しい環境の中で電装部品の開発を進めている。
電気自動車の駆動の核心はバッテリ部品にある。特に、電気自動車内部のEMIノイズ成分については、バッテリを充電しながら生じられる充電ノイズ又は充電器自体のスイッチングノイズなど、各種EMIノイズを低減する技術に関心が増大している。
EMIとは電磁波障害であり、望まない広帯域ノイズの雑音源であってノイズが電磁波に干渉及び障害を起こすことをいう。
電源ノイズは大きく共通モード(Common mode)ノイズと、ノーマルモード(Normal mode)ノイズで区分される。まず、共通モードノイズは電源のプラス端及びマイナス端のノイズの流れが互いに同じ方向に流れることをいい、CMノイズと呼ばれる。
ノーマルモードノイズは電源のプラス端及びマイナス端のノイズの流れが互いに反対方向に流れることをいい、差動モード(DM)ノイズと呼ばれる。そのため、共通モードノイズを低減させるフィルタをCMフィルタといい、ノーマルモードノイズを低減させるフィルタをDMフィルタという。
EMIフィルタは、CMフィルタ及びDMフィルタを含んで構成される。
図1は、従来のEMIフィルタを説明するための図である。
図1を参照すると、従来のEMIフィルタはバッテリ1、DMフィルタ2が接続され、DMフィルタ2にはYキャパシタ3を介在してCMフィルタ3が接続される構造を有する。
DMフィルタ2はπ状のキャパシタを含んで構成され、CMフィルタ4はインダクタ及びキャパシタで構成される。Yキャパシタ3はDMフィルタ2を経たノイズ成分をシャーシGND(すなわち、接地)から抜き出す。
低電圧バッテリ1から誘起されるノイズ成分をDMフィルタ2が先にノイズを吸収して低減するが、これはDMフィルタ2のキャパシタの容量増大及びDMフィルタ2のインダクタのインダクタンス値の増加を引き起こしかねない。
実際にEMI実験所でノイズレベルを測定した際、DMフィルタ2でノイズ除去効果が少ないと確認された。また、低電圧バッテリ1から誘起されるノイズがCMノイズ及びDMノイズと混合されてDMフィルタ2に誘起されるため、DMフィルタ2の立場から分析するとCMノイズを除去できずに通過させることになり、CMノイズはそのままYキャパシタ3を介してシャーシGNDに抜ける構造になっている。
特に、電装品のコネクタインピーダンス及びコネクタと接続するハーネスなどによってインピーダンス成分が各電装品の特長に応じて様々であるため、CMノイズ及びDMノイズのうちどのノイズが問題になるのかを判断することが難しい。
また、DMフィルタ2の第1キャパシタC1及び第1インダクタL1並びに第2キャパシタC2ではDMノイズだけが除去され、YキャパシタCy1,Cy2を介してDMノイズとCMノイズが除去される。
すなわち、CMノイズはDMフィルタ2を経てから除去されるため、CMノイズが多い製品特性の場合、ノイズ低減効果が得られない。
図2は、従来のEMIフィルタと補助電源部SMPSとが接続された際に発生するノイズの影響を説明する図である。
図2を参照すると、バッテリ1にEMIフィルタ(DMフィルタ)2が設置され、EMIフィルタ(DMフィルタ)2に補助電源部SMPS5が接続される。
一般にEMIフィルタ(DMフィルタ)2からノイズ成分を低減するという前提の下でこのような電源供給回路が構成されるが、実際にEMIフィルタ(DMフィルタ)2を経た後でもノイズは残留している。EMIフィルタ(DMフィルタ)2を経たノイズが小さい状態から補助電源部SMPS4によって大きくなることもある。よって、EMIフィルタ(DMフィルタ)2を経てからも存在するノイズを、補助電源部SMPS5に入る前にノイズ成分を低減することが必要である。
低電圧端バッテリにかかるノイズを低減するためには、低電圧端バッテリと直接接続されている電装品のEMIノイズを低減すべきであり、そのためにはEMIフィルタを介して一次的にノイズを低減すべきである。
EMIフィルタを介したノイズ低減技術が産業用から始まって自動車用電装品まで拡大されたが、ノイズの規制値が高い自動車用電装品では従来のEMIフィルタではノイズ低減効果が薄かった。
電気自動車の特性上、低電圧バッテリが内燃機関のバッテリより電気的駆動及び負荷特性よってノイズにぜい弱になっている。
低電圧バッテリにノイズ成分が大きいほど、バッテリの寿命短縮及び燃費低減などの副作用特性が強くなるため、低電圧端バッテリにかかるノイズの低減が必ず必要な状況である。また、国内外の電気自動車OEMでもこのような必要性を切実に感じている。
本発明が解決しようとする課題は、低電圧バッテリを充電する電装品の内部からEMIノイズを低減し、低電圧バッテリを充電する際に発生するノイズを自動車のシャーシグラウンドに迅速に通過させる電気自動車の低電圧端EMIフィルタを提供することにある。
本発明が解決しようとする課題は上述した課題に限られず、言及されていない他の課題は下記の記載から提案される実施例の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって明確に理解されるはずである。
本発明の一側面によると、電気自動車の低電圧端EMIフィルタにおいて、低電圧端EMIフィルタの入力端及び出力端にそれぞれ設置される一対のYキャパシタ部と、一対のYキャパシタ部の間に設置されるDMフィルタ及びCMフィルタとを含み、一対のYキャパシタ部、DMフィルタ及びCMフィルタは、低電圧端バッテリ接続部から発生するCMノイズ及びDMノイズを段階別にシャーシGNDに放出して低電圧端接続部のノイズを低減する、電気自動車の低電圧端EMIフィルタが提供される。
一対のYキャパシタ部は第1Yキャパシタ部及び第2Yキャパシタ部を含み、第1Yキャパシタ部は低電圧バッテリの両端に設置されてシャーシGNDにノイズを放出してDMノイズ及びCMノイズを低減し、DMフィルタは第1Yキャパシタ部の両端に接続されて第1Yキャパシタ部によって低減されたノイズに対してDMノイズを低減し、CMフィルタはDMフィルタの両端に接続されてDMフィルタによって低減されたノイズに対してCMノイズを低減し、第2Yキャパシタ部はCMフィルタの両端に接続されてシャーシGNDにノイズを放出して、CMフィルタによって低減されたノイズに対してDMノイズ及びDMノイズを低減する。
一対のYキャパシタ部は第1Yキャパシタ部及び第2Yキャパシタ部を含み、第1Yキャパシタ部は低電圧バッテリの両端に設置されてシャーシGNDにノイズを放出してDMノイズ及びCMノイズを低減し、CMフィルタは第1Yキャパシタ部の両端に接続されて第1Yキャパシタ部によって低減されたノイズに対してCMノイズを低減し、DMフィルタはCMフィルタの両端に接続されてCMフィルタによって低減されたノイズに対してDMノイズを低減し、第2Yキャパシタ部はDMフィルタの両端に接続されてシャーシGNDにノイズを放出して、DMフィルタによって低減されたノイズに対してDMノイズ及びCMノイズを低減する。
電気自動車の低電圧端EMIフィルタは、帰還されてきたGNDノイズをシャーシGNDに放出するようにシャーシGNDと接続されたマージ(merge)部分に設置されたブリッジ部を更に含む。
ブリッジ部は、シャーシGNDのマージ部分のうち一つの地点に設置される。
電気自動車の低電圧端EMIフィルタは、低電圧端EMIフィルタに接続される補助電源部SMPSのGND端と低電圧端EMIフィルタとの間に設置され、補助電源部SMPSのGND端でノイズを低減させるビードを更に含む。
本発明の一実施例によるEMIフィルタは、低電圧端バッテリ接続部で発生するCMノイズ及びDMノイズを段階別にシャーシGNDに放出し、低電圧端接続部のノイズを低減することができる。
電気自動車は大きいノイズ成分を有するノイズの塊を媒介する。一般産業用のように接地のないノイズの塊が動くのと同じである。そのため、それぞれの電装品のノイズを最大シャーシGND(自動車シャーシPlane接地)に放出することが最も効果的である。
また、電装品のEMIノイズを一度にシャーシGNDに放出するよりも、段階的にシャーシGNDに放出することが重要である。その理由は、自動車のシャーシGNDにノイズ成分を吸収する空間が多くないためである。本発明によると、電装品内部で最大限EMIノイズを低減した後、段階的にシャーシGNDに放出してノイズを効果的に低減することができる。
従来のEMIフィルタを説明する図である。 従来のEMIフィルタと補助電源部SMPSとが接続される際に発生するノイズの影響を説明する図である。 本発明の一実施例による電気自動車の低電圧端EMIフィルタの構成を説明する図である。 本発明の一実施例による電気自動車の低電圧端EMIフィルタによって段階的にノイズを低減することを説明する図である。 本発明の一実施例によるEMIフィルタと補助電源部SMPSとの間にビードを設置したことを説明する図である。 本発明の一実施例による電気自動車の低電圧端EMIフィルタのノイズ低減効果を示すグラフである。 図1に示した従来の電気自動車の低電圧端EMIフィルタで測定されたCE測定結果を示すグラフである。
以下、本発明の具体的な実施例を図面と共に詳細に説明する。しかし、本発明の思想が提示される実施例に制限されることはなく、他の構成要素の追加又は変更、削除などによって退歩的な他の発明又は本発明の思想の範囲内に含まれる他の実施例を容易に提案することができる。
本発明で使用される用語はできるだけ現在広く使用されている一般的な用語を選択しているが、特定の場合には出願人が任意に設定した用語もあり、この場合該当する発明の説明部分にその意味を詳細に記載しているため、単純な用語の名称ではなく用語が有する意味として本発明を把握すべきであることを明らかにする。
すなわち、以下の説明において、単語「含む」は列挙されたものと異なる構成要素又は段階の存在を排除しない。
図3は、本発明の一実施例による電気自動車の低電圧端EMIフィルタの構成を説明する図である。
図3を参照すると、本発明の一実施例による電気自動車の低電圧端EMIフィルタ100は第1Yキャパシタ部110、DMフィルタ120、CMフィルタ130、第2Yキャパシタ部140、ブリッジ部150を含んで構成される。
第1Yキャパシタ部110は、低電圧バッテリ10の両端に設置されてシャーシGNDにノイズを放出する。第1Yキャパシタ部110によってDMノイズ及びCMノイズが低減される。
DMフィルタ120は第1Yキャパシタ部110の両端に接続されてDMノイズを除去する。
CMフィルタ130はDMフィルタ120の両端に接続されてCMノイズを除去する。
第2キャパシタ部140は、CMフィルタ130の両端に接続されてシャーシGNDにノイズを放出する。第2Yキャパシタ部140によってDMノイズ及びCMノイズが低減される。
ブリッジ部150は、GNDノイズを放出するためにシャーシGNDと接続されたマージ部分に設置される。
低電圧端EMIフィルタ100はこのような構成を介して段階的にCMノイズ及びDMノイズを除去してノイズを低減する。
すなわち、低電圧端EMIフィルタ100は第1Yキャパシタ110を介して一次的にノイズを低減し、DMフィルタ120及びCMフィルタ130を介して2次的にノイズを低減し、3次的にCMフィルタ130の後に構成された第2Yキャパシタ140にシャーシGNDで残余分のノイズを更に低減する。
EMIフィルタ100は帰還されてきたGNDノイズをシャーシGNDと接続されたマージ部分であるブリッジ150を介してシャーシGNDに放出する。
図4は、本発明の一実施例による電気自動車の低電圧端EMIフィルタによって、段階的にノイズを低減することを説明する図である。
図4を参照すると、低電圧端EMIフィルタ100のノイズを低減するための第1ステップとして、第1Yキャパシタ部110においてYキャパシタCy1,Cy2によってDMノイズ及びCMノイズが低減される。
第2ステップとして、πフィルタであるDMフィルタ120によってDMノイズがキャパシタC1,C2に吸収され、インダクタL1を介して除去が行われる。それによってDMノイズが低減される。
第3ステップとして、第1Yキャパシタ部110において一度除去されたCMノイズがインダクタL2を介して減少される。
第4ステップとして、残余分のCMノイズ及びDMノイズは第2キャパシタ部140において、キャパシタCy3,Cy4によってノイズ成分が更に吸収される。
第5ステップとして、帰還されて発生するGNDノイズはブリッジ部150の抵抗R1を介してシャーシGNDに放出され、ノイズが低減される。
ここで、ブリッジ部150は一つの地点に設置される。実験の結果、ブリッジ部150が多数形成される場合には一つのブリッジ部150に比べノイズの低減効果がなかった。
図5は、本発明の一実施例によるEMIフィルタと補助電源部SMPSとの間にビードを設置したことを説明する図である。
図5を参照すると、バッテリ10にEMIフィルタ100が設置され、EMIフィルタ100及び補助電源部SMPSのGND端にビード300が設置される。ビード300は、例えばフェライトビードを使用してもよい。
ビード300がEMIフィルタ100と補助電源部SMPSのGND端との間に設置されることによって、電流がEMIフィルタ100を経てから補助電源部SMPS200に入る前に、ビード300を介して補助電源部SMPS200のGND端でスイッチングノイズ成分が除去される。
ビード300は、後述する図6の150kHzと200kHzとの間の伝導放出(conducted emission、CE)測定波形によって、付近のPK性ノイズを低減する効果をもたらす。
約10dBの低減効果が得られるが、その理由は補助電源部SMPS200のスイッチング周波数が170kHzであって、補助電源部SMPS200のGND入力端における、ノイズ成分がビード300を介して一次的に低減されたノイズ成分が、補助電源部SMPS200のスイッチングノイズに及ぼす影響を小さくするためである。
図6は、本発明の一実施例による電気自動車の低電圧端EMIフィルタのノイズ低減効果を説明するグラフである。図7は、図1に示した従来の電気自動車の低電圧端EMIフィルタで測定されたCE測定結果を示すグラフである。
図6を参照すると、本発明の一実施例による電気自動車の低電圧端EMIフィルタ100で測定されたCE測定結果において、150kHz〜108kHz周波数帯域全域でノイズレベルの低減効果が得られたことが確認された。
すなわち、本発明の一実施例による電気自動車の低電圧端EMIフィルタ100の測定結果は、従来のEMIフィルタの測定結果である図7に比べると300kHz帯域及び1MHz以下のAM放送周波数帯域の全体的なノイズレベルが、約10dB以上低減されたことが確認された。
また、30MHz〜108MHzまでのFM放送周波数帯域において、ノイズレベルが全体的に約20dB以上低減されたことが確認された。
特に、図5で説明した補助電源部SMPS200のGND入力端に設置されたビード300を介して、補助電源部SMPS200で問題となっていた170kHz帯域のPK性ノイズを減少することができる。
本発明によるEMIフィルタ100はEMIノイズを低減することに当たって段階的な方法でEMIノイズ(CMノイズ、DMノイズ)を低減するため、CE測定結果ノイズの低減効果がある。
本発明のEMIフィルタによってCE測定だけでなく放射性放出(Radiated Emission、RE)も同じく全体的なノイズレベルが低減される効果がある。
これまで本発明による具体的な実施例について説明したが、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能であることはもちろんである。よって、本発明の範囲は説明された実施例に限って決められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものによって決められるべきである。
例えば、本発明の一実施例ではEMIフィルタが、第1Yキャパシタ部、DMフィルタ、CMフィルタ、第2Yキャパシタ部の順に接続された構成について説明したが、本発明はそれに限られずに第1Yキャパシタ部、CMフィルタ、DMフィルタ、第2Yキャパシタ部の順に接続されてもよい。すなわち、第1Yキャパシタ部は、低電圧バッテリの両端に設置されてシャーシGNDにノイズを放出してDMノイズ及びCMノイズを低減し、CMフィルタは、第1Yキャパシタ部の両端に接続されて第1Yキャパシタ部によって低減されたノイズに対してCMノイズを低減し、DMフィルタは、CMフィルタの両端に接続されてCMフィルタによって低減されたノイズに対してDMノイズを低減し、第2Yキャパシタ部は、DMフィルタの両端に接続されてシャーシGNDにノイズを放出して、DMフィルタによって低減されたノイズに対してDMノイズ及びCMノイズを低減してもよい。
10 低電圧バッテリ
100 低電圧端EMIフィルタ
110 第1Yキャパシタ部
120 DMフィルタ
130 CMフィルタ
140 第2Yキャパシタ部
150 ブリッジ部
200 補助電源部
300 ビード

Claims (4)

  1. 電気自動車の低電圧バッテリに用いる低電圧端EMIフィルタであって
    前記低電圧端EMIフィルタの入力端及び出力端にそれぞれ設置され、第1Yキャパシタ部と第2Yキャパシタ部を含む一対のYキャパシタ部と
    前記一対のYキャパシタ部の間に設置される差動モード(DM)フィルタ及び共通モード(CM)フィルタと
    帰還されてきたGNDノイズをシャーシ接地(GND)に放出するように、前記DMフィルタ及び前記CMフィルタのそれぞれの一端が接続される部分と、前記シャーシGNDとの間に設置されたブリッジ部と、を含み
    前記第1Yキャパシタ部、前記DMフィルタ、前記CMフィルタ及び前記第2Yキャパシタ部のそれぞれの一端は、前記シャーシGNDに接続され
    前記第1Yキャパシタ部、前記DMフィルタ、前記CMフィルタ及び前記第2Yキャパシタ部は、低電圧バッテリ接続部で発生するCMノイズ及びDMノイズを段階別に前記シャーシGNDに放出して低電圧端接続部のノイズを低減し
    前記第1Yキャパシタ部は、前記低電圧バッテリの両端に設置されて前記シャーシGNDにノイズを放出してDMノイズ及びCMノイズを低減し、
    前記DMフィルタは、前記第1Yキャパシタ部の両端に接続されて第1Yキャパシタ部によって低減されたノイズに対してDMノイズを低減し、
    前記CMフィルタは、前記DMフィルタの両端に接続されて前記DMフィルタによって低減されたノイズに対してCMノイズを低減し、
    前記第2Yキャパシタ部は、前記CMフィルタの両端に接続されて前記シャーシGNDにノイズを放出して、前記CMフィルタによって低減されたノイズに対してDMノイズ及びCMノイズを低減す気自動車の低電圧端EMIフィルタ。
  2. 電気自動車の低電圧バッテリに用いる低電圧端EMIフィルタであって、
    前記低電圧端EMIフィルタの入力端及び出力端にそれぞれ設置され、第1Yキャパシタ部と第2Yキャパシタ部を含む一対のYキャパシタ部と、
    前記一対のYキャパシタ部の間に設置される差動モード(DM)フィルタ及び共通モード(CM)フィルタと
    帰還されてきたGNDノイズをシャーシ接地(GND)に放出するように、前記DMフィルタ及び前記CMフィルタのそれぞれの一端が接続される部分と、前記シャーシGNDとの間に設置されたブリッジ部と、を含み
    前記第1Yキャパシタ部、前記DMフィルタ、前記CMフィルタ及び前記第2Yキャパシタ部のそれぞれの一端は、前記シャーシGNDに接続され
    前記第1Yキャパシタ部、前記DMフィルタ、前記CMフィルタ及び前記第2Yキャパシタ部は、低電圧バッテリ接続部で発生するCMノイズ及びDMノイズを段階別に前記シャーシGNDに放出して低電圧端接続部のノイズを低減し
    前記第1Yキャパシタ部は、前記低電圧バッテリの両端に設置されて前記シャーシGNDにノイズを放出してDMノイズ及びCMノイズを低減し、
    前記CMフィルタは、前記第1Yキャパシタ部の両端に接続されて第1Yキャパシタ部によって低減されたノイズに対してCMノイズを低減し、
    前記DMフィルタは、前記CMフィルタの両端に接続されて前記CMフィルタによって低減されたノイズに対してDMノイズを低減し、
    前記第2Yキャパシタ部は、前記DMフィルタの両端に接続されて前記シャーシGNDにノイズを放出して、前記DMフィルタによって低減されたノイズに対してDMノイズ及びCMノイズを低減す気自動車の低電圧端EMIフィルタ。
  3. 前記ブリッジ部は前記DMフィルタ及び前記CMフィルタのそれぞれの一端が接続される部分と、前記シャーシGNDの間の一つの地点に設置される、請求項1又は2に記載の電気自動車の低電圧端EMIフィルタ。
  4. 前記低電圧端EMIフィルタに接続される補助電源部SMPSのGND端と前記低電圧端EMIフィルタの前記シャーシGND端との間に設置され、前記補助電源部SMPSのGND端と前記低電圧端EMIフィルタの前記シャーシGND端との間でノイズを低減するビードを更に含む、請求項1又は2に記載の電気自動車の低電圧端EMIフィルタ。
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