WO2014072096A2 - Inverterschaltung für einen elektrischen antrieb, elektrofahrzeug mit einer inverterschaltung und verfahren zum betrieb einer inverterschaltung - Google Patents

Inverterschaltung für einen elektrischen antrieb, elektrofahrzeug mit einer inverterschaltung und verfahren zum betrieb einer inverterschaltung Download PDF

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WO2014072096A2
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frequency
inverter
notch filter
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Thomas Peuser
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output

Definitions

  • the present invention relates to an inverter circuit for an electric drive, an electric vehicle having such an inverter circuit, and a method for operating an inverter circuit.
  • inverters The control of electric drives, in particular of electric motors, takes place for example by means of so-called inverters.
  • Such an inverter draws its electrical energy from a DC voltage source, such as a battery. From this DC voltage, the inverter generates a single- or multi-phase AC voltage. It can be influenced by varying the output signal, the speed and the power of the connected motor.
  • the adaptation of the motor current takes place, for example, by a pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • European Patent Application EP 1 531 543 A describes a method for
  • the control circuit provides a three-phase output signal
  • the circuit is fed by a DC voltage source, with a DC link capacitance at the input of the control circuit.
  • Such DC link capacitances are usually found at the inputs of all such inverters. Among other things, these DC link capacitances serve to eliminate high-frequency interfering signals. Such interference signals, so-called ripple, for example, by the functionality of the inverter (pulse width modulation) and by the asymmetry of the electric motor.
  • the present invention in one aspect, provides an inverter circuit for an electric drive comprising a first notch filter having a first filter frequency and a second notch filter having a second filter frequency.
  • the invention provides a method of operating an inverter circuit, comprising the steps of filtering an input voltage
  • Inverter circuit by a first notch filter having a first filter frequency; and filtering the input voltage of the inverter circuit by a second notch filter having a second filter frequency.
  • notch filters used in the process also called notch filters, filter out a specific frequency or a narrow frequency band.
  • the filter frequencies By a suitable choice of the filter frequencies, the largest interference frequencies can thus be eliminated in a targeted manner.
  • DC link capacitor would be required. Due to the required smaller capacities, the component size for filtering the interference frequencies decreases. Thus, the filtering can be carried out with much cheaper components.
  • Another advantage is that with the structure according to the invention also a significantly improved filtering effect can be achieved. Thus, the other areas are much better protected against the disturbances from the inverter.
  • An additional advantage is that with the structure according to the invention even at higher PWM switching frequencies still excellent interference suppression can be achieved.
  • the first filter frequency of the first notch filter corresponds to a switching frequency of the inverter circuit.
  • the switching frequency of the inverter circuit is adapted to the first filter frequency of Notchfilters.
  • Switching frequency of the inverter circuit can still be achieved with differing component tolerances of the first Notchfilters still a very precise vote between switching frequency of the inverter circuit and filter frequency of Notchfilters.
  • Switching frequency of the inverter circuit corresponds to the first harmonic. This is in addition to the fundamental frequency of the inverter circuit that interference frequency with the largest amplitude. Thus, these noise can be suppressed particularly effective.
  • the first notch filter comprises at least a first capacitor and a first inductance and the second notch filter at least a second capacitor and a second inductance.
  • Such suction filter with at least one capacitance and an inductance allow a very cost-effective, yet effective suppression selectively selected frequencies.
  • the second notch filter comprises a tuning circuit adapted to adjust the second filter frequency of the second notch filter. This tuning circuit makes it possible to precisely match the filter frequency of the notch filter with the noise frequency of the inverter circuit. Thus, the high component tolerances of the components used can be compensated and a very precise filtering effect can be achieved.
  • the tuning circuit of the second notch filter comprises a plurality of auxiliary capacitors. These auxiliary capacitors can be connected in parallel as appropriate in a suitable manner to the filter frequency of the second
  • Notch filter can be precisely adjusted to the desired filter frequency.
  • the switching frequency of the inverter circuit is at least 20 kHz.
  • the switching frequency of the inverter circuit is at least 40 kHz.
  • Such higher clocking systems allow a particularly cost-efficient filter sizing.
  • the present invention comprises an electric vehicle with an inverter circuit according to the invention.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an exemplary engine control
  • Fig. 2 is a schematic representation of a motor drive with a
  • Fig. 3 is a schematic representation of filter elements according to a
  • FIG. 4 is a schematic representation of a circuit structure for the
  • Fig. 5 is a schematic representation of an electric vehicle with a
  • FIG. 6 is a schematic representation of a method for the suppression of
  • Inverter for the purposes of the present invention are initially all electrical circuit arrangements that are suitable for a DC voltage
  • an inverter is preferably a circuit which generates a sinusoidal or at least approximately sinusoidal alternating voltage from a DC voltage.
  • the AC voltage to be generated may be both a single-phase AC voltage or a three-phase AC voltage. The latter are particularly required for the operation of three-phase motors.
  • Inverters in the context of the present invention are also expressly those circuits which, in addition to the generation of alternating voltages from direct current, are also capable of providing a rectified current in a reverse operating mode, ie when a DC voltage is present on the DC side is to provide the DC power source, such as a rechargeable battery, with energy and recharge.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary motor drive.
  • the energy source is a DC voltage source 1, for example in the form of a battery.
  • This voltage source 1 feeds an inverter circuit 2a.
  • the inverter circuit 2a generates from the applied DC voltage an output signal which is suitable for driving the connected motor 3.
  • the motor 3 may be, for example, a three-phase synchronous motor. In principle, however, other electrical drives are also possible.
  • electric drives in the context of the present invention all electric drives are to be understood, which can be controlled by an inverter circuit. Such electric drives can be, for example, single or three-phase electric motors.
  • the inverter circuit 2a generates a suitable output signal for controlling the electric drive 3. This output signal can be regulated for example by means of PWM. Due to the numerous switching operations during the
  • FIG. 2 shows the control of an electric drive 3 by means of a
  • Inverter circuit 2 according to the invention.
  • This inverter circuit 2 according to the invention differs from the inverter circuit 2a shown in FIG. 1 in that the intermediate circuit capacitor 25 has been replaced by two notch filters 21 and 22.
  • Each of these two notch filters 21, 22, which are also known by the term notch filter, is a filter branch that is designed to be narrow
  • the filter frequencies are on the one hand to the
  • Switching frequency of the inverter 20 on the other hand to the first harmonic of this switching frequency, which is twice the switching frequency.
  • Harmonics are the two most significant disturbances.
  • a particularly effective elimination of the disturbances from the inverter circuit 2 can be achieved.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a basic circuit diagram for the two notch filters 21 and 22.
  • the first notch filter 21 normally comprises at least a first inductance L21 and a first capacitance C21. Not shown in this diagram are the parasitic properties of the components and the
  • the second notch filter 22 likewise comprises at least one second inductance L22 and a second capacitance C22. Also in this case, the parasitic properties of the components and leads are not shown.
  • the inverter circuit 2 comprises, as described above, at least two notch filters 21 and 22.
  • the two strongest disturbances occurring usually the fundamental frequency and the first upper oscillation, can be eliminated.
  • notch filters are used for the elimination of interference signals.
  • three or more notch filters are used for the elimination of interference signals.
  • the specific application is between
  • PWM fundamental frequencies from about 40 kHz.
  • a fundamental frequency can be damped with the two notch filters according to the invention 21 and 22 still reliable and effective occurring ripple.
  • the two notch filters according to the invention 21 and 22 still reliable and effective occurring ripple.
  • a conventional DC link capacitor at such high PWM frequencies sufficient damping is no longer possible.
  • Deviations can also occur, for example due to aging of the components.
  • the actual filter frequency can be determined, for example, for a first notch filter 21. Thereupon can optimize the Filter behavior the PWM frequency of the inverter 20 are corrected within a predetermined allowable range up or down, so that the actual filter frequency of the first notch filter 21 matches as closely as possible with the PWM fundamental frequency.
  • FIG. 4 shows a further approach for compensating for discrepancies between the actual filter frequency of a notch filter and occurring interference frequencies.
  • one or more further capacitances C1 to C6 can be connected in parallel to the basic capacity of a notch filter as required. Through this parallel connection of several capacities, the total capacity of the filter increases and the filter frequency is adjusted accordingly. Thus, deviations between the actual filter frequency and the desired target frequency can be determined and then the capacity of the respective filter circuit can be adjusted.
  • the number of six further capacities is only an example. Depending on the application, more or even less capacity is possible as well.
  • the capacitances of the additional capacitors C1 to C6 are graduated in powers of two. In this case, by an appropriate
  • Capacity should be less than the theoretical value resulting from the filter design, the base capacity C7.
  • the value of the basic capacity C7 should deviate from the nominal value calculated from the filter design by approximately half the maximum value that can be provided by the additional capacitances C1 to C6.
  • the Capacity of the respective Notchfilters are optimally varied up and down and thus made a corresponding adjustment of the filter frequency.
  • the individual capacitors C1 to C6 can be connected by the respective transistors M1 to M6 if necessary.
  • the remaining circuitry is only for the protection and cost-effective implementation of the circuit.
  • the two voltages V1 and V2 serve as reference potentials. In this case, the voltage V1 is greater than half the peak-peak voltage of the ripples. Further, voltage V2 is greater than the sum of V1 and half the peak-peak voltage of the ripples. If a ripple is modulated to V1 in this case, the resulting voltage is always greater than mass but less than V2.
  • the diodes D1 to D6 also serve to protect the switches in the event of rapid voltage changes in special cases, in particular when the maximum ripples are exceeded.
  • the respective transistors M1 to M6 turn on and off the respective capacitors C1 to C6.
  • a change in the capacitance and an associated switching operation on one of the transistors takes place only very rarely, in particular only when the capacity has to be adjusted.
  • only very slow switching operations are required. Therefore, it is also sufficient to select relatively inexpensive, slow-switching transistors for the respective transistors M1 to M6.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an electric vehicle 5 which is equipped with an inverter circuit 2 according to the invention.
  • the electric vehicle 5 is powered by a battery 1, preferably a high voltage battery.
  • the DC voltage from this battery 1 is supplied to the inverter circuit 2.
  • the inverter 20 At the input of the inverter 20 are the two notch filters 21 and 22. Thus, the interference signals occurring by these two filter circuits 21, 22 are reliably eliminated.
  • Electric vehicle 5 connected.
  • This electric drive can on the one hand exclusively the Drive the electric vehicle 5 allow.
  • the electric drive 3 is an additional drive in addition to conventional drives, for example by means of an internal combustion engine.
  • the invention furthermore also includes in particular
  • Inverter circuits equipped to provide kinetic energy of a
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a method for suppressing interference signals in an inverter circuit 2.
  • this first notch filter 21 may be a filter which suppresses the disturbances of the fundamental frequency of the PWM.
  • Input voltage of the inverter circuit 2 filtered by a second notch filter 22 having a second filter frequency.
  • This may be, for example, the spurious signals of the first harmonic of the PWM frequency.
  • other filter frequencies are also possible.
  • the present invention relates to an inverter circuit 2 for controlling an electric drive 3 with an improved suppression of interference signals.
  • an inverter circuit 2 for controlling an electric drive 3 with an improved suppression of interference signals.
  • at least two notch filters 21, 22 instead of a DC link capacitor 25 occurring interference signals can be reliably suppressed.
  • the switching frequency of the inverter 20 can be significantly increased without this adversely affecting the interference pulses occurring.
  • the invention further relates to an electric vehicle 5, which is equipped with such an inverter circuit 2.

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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Inverterschaltung (2) zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebes (3) mit einer verbesserten Unterdrückung von Störsignalen. Durch die Verwendung von mindestens zwei Notchfilter (21, 22) können auftretende Störsignale zuverlässig unterdrückt werden. Dabei kann gleichzeitig die Schaltfrequenz des Inverters (20) signifikant angehoben werden, ohne dass sich dies nachteilig auf die auftretenden Störimpulse auswirkt. Die Erfindung betrifft ferner auch ein Elektrofahrzeug (5), das mit einer solchen Inverterschaltung (2) ausgerüstet ist.

Description

Beschreibung Titel
Inverterschaltung für einen elektrischen Antrieb , Elektrofahrzeug mit einer
Inverterschaltung und Verfahren zum Betrieb einer Inverterschaltung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Inverterschaltung für einen elektrischen Antrieb, ein Elektrofahrzeug mit einer solchen Inverterschaltung, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Inverterschaltung.
Stand der Technik Die Ansteuerung von elektrischen Antrieben, insbesondere von Elektromotoren, erfolgt beispielsweise mittels sogenannter Inverter. Ein solcher Inverter bezieht seine elektrische Energie aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie. Aus dieser Gleichspannung erzeugt der Inverter eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung. Dabei kann durch Variation des Ausgangssignals die Drehzahl und die Leistung des angeschlossenen Motors beeinflusst werden. Die Anpassung des Motorstroms erfolgt dabei beispielsweise durch eine Pulsweitenmodulation (PWM).
Die europäische Patentanmeldung EP 1 531 543 A beschreibt ein Verfahren zur
Stromversorgung eines mehrsträngigen Elektromotors mittels eines PWM gesteuerten Inverters. Die Steuerschaltung liefert als Ausgangssignal einen dreiphasigen
Wechselstrom. Gespeist wird die Schaltung durch eine Gleichspannungsquelle, wobei sich am Eingang der Steuerschaltung eine Zwischenkreiskapazität befindet.
Solche Zwischenkreiskapazitäten finden sich üblicherweise an den Eingängen aller solcher Inverter. Diese Zwischenkreiskapazitäten dienen unter anderem dazu, hochfrequente Störsignale zu eliminieren. Solche Störsignale, sogenannte Ripple, entstehen beispielsweise durch die Funktionalität des Inverters (Pulsweitenmodulation) und durch die Asymmetrie des Elektromotors.
Für eine ausreichend gute Unterdrückung der auftretenden Störsignale sind hierzu relativ große Zwischenkreiskapazitäten erforderlich. Hohe Kapazitäten bedeuten jedoch auch gleichzeitig relativ großvolumige Bauteile. Darüber hinaus steigen mit zunehmender Kapazität auch die Kosten für die jeweiligen Kondensatoren.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer Inverterschaltung mit einer verbesserten
Dämpfung zur Unterdrückung der PWM-Ripple. Darüber hinaus besteht ein Bedarf nach einer Inverterschaltung mit möglichst kostengünstigen Bauelementen für die
Rippledämpfung. Ferner besteht auch ein Bedarf nach einer Schaltung für eine
Rippledämpfung innerhalb eines Inverters mit möglichst kleinvolumigen Bauelementen. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Inverterschaltung für einen elektrischen Antrieb, die ein erstes Notchfilter mit einer ersten Filterfrequenz und ein zweites Notchfilter mit einer zweiten Filterfrequenz umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Inverterschaltung, mit den Schritten des Filterns einer Eingangsspannung der
Inverterschaltung durch ein erstes Notchfilter mit einer ersten Filterfrequenz; und des Filterns der Eingangsspannung der Inverterschaltung durch ein zweites Notchfilter mit einer zweiten Filterfrequenz.
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, anstelle des bisher verwendeten relativ großen Zwischenkreiskondensators zwei Saugkreise einzusetzen. Die dabei eingesetzten Notchfilter, auch Kerbfilter genannt, filtern jeweils ganz gezielt eine Frequenz, oder ein schmales Frequenzband heraus. Durch geeignete Wahl der Filterfrequenzen können damit gezielt die größten Störfrequenzen eliminiert werden.
Ein erheblicher Vorteil besteht darin, dass für einen erfindungsgemäßen Filterzweig wesentlich kleinere Kapazitäten erforderlich sind, als dies beim Einsatz eines
Zwischenkreiskondensators erforderlich wäre. Aufgrund der erforderlichen kleineren Kapazitäten sinkt die Bauteilgröße für die Filterung der Störfrequenzen. Somit kann die Filterung auch mit wesentlich preiswerteren Komponenten durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dem erfindungsgemäßen Aufbau auch eine wesentlich verbesserte Filterwirkung erzielt werden kann. Somit sind die übrigen Bereiche erheblich besser vor den Störungen aus dem Inverter geschützt. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass mit dem erfindungsgemäßen Aufbau insbesondere auch bei höheren PWM-Schaltfrequenzen noch eine ausgezeichnete Störunterdrückung erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht die erste Filterfrequenz des ersten Notchfilters einer Schaltfrequenz der Inverterschaltung. Durch die Anpassung des ersten Notchfilters an die Schaltfrequenz des Inverters werden die durch die Grundfrequenz des Inverters generierten Störsignale wirkungsvoll unterdrückt.
In einer besonderen Ausführungsform wird die Schaltfrequenz der Inverterschaltung an die erste Filterfrequenz des Notchfilters angepasst. Durch die Anpassung der
Schaltfrequenz der Inverterschaltung kann auch bei abweichenden Bauteiltoleranzen des ersten Notchfilters noch eine sehr präzise Abstimmung zwischen Schaltfrequenz der Inverterschaltung und Filterfrequenz des Notchfilters erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht die zweite Filterfrequenz des zweiten
Notchfilters der doppelten Schaltfrequenz der Inverterschaltung. Diese doppelte
Schaltfrequenz der Inverterschaltung entspricht der ersten Oberschwingung. Diese ist neben der Grundfrequenz der Inverterschaltung diejenige Störfrequenz mit der größten Amplitude. Somit können auch diese Störsignale besonders wirkungsvoll unterdrückt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das erste Notchfilter mindestens einen ersten Kondensator und eine erste Induktivität und das zweite Notchfilter mindestens einen zweiten Kondensator und eine zweite Induktivität. Solche Saugfilter mit mindestens einer Kapazität und einer Induktivität ermöglichen eine sehr kostengünstige und dennoch wirkungsvolle Unterdrückung gezielt ausgewählter Frequenzen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das zweite Notchfilter eine Abstimmschaltung, die dazu ausgelegt ist, die zweite Filterfrequenz des zweiten Notchfilters anzupassen. Durch diese Abstimmschaltung wird es ermöglicht, die Filterfrequenz des Notchfilters präzise auf die Störfrequenz der Inverterschaltung anzupassen. Somit können die hohen Bauteiltoleranzen der verwendeten Komponenten ausgeglichen und eine sehr präzise Filterwirkung erzielt werden. In einer speziellen Ausführung umfasst die Abstimmschaltung des zweiten Notchfilters eine Mehrzahl von Hilfskondensatoren. Diese Hilfskondensatoren können je nach Bedarf in geeigneter weise parallelgeschaltet werden, um die Filterfrequenz des zweiten
Notchfilter präzise auf die gewünschte Filterfrequenz anzupassen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Schaltfrequenz der Inverterschaltung mindestens 20 kHz. Vorzugsweise beträgt die Schaltfrequenz der Inverterschaltung mindestens 40 kHz. Solche höhertaktenden Systeme ermöglichen eine besonders kosteneffiziente Filterdimensionierung.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Elektrofahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Motorsteuerung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Motoransteuerung mit einem
erfindungsgemäßen Inverter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung von Filterelementen gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schaltungsaufbaus für die
Abstimmung eines Filterelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs mit einer
Inverterschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Unterdrückung von
Störsignalen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet. Die in der Beschreibung und den Figuren angeführten Komponenten und Elemente können selbstverständlich im Rahmen der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleiche oder gleichwirkende Komponenten.
Inverter im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei zunächst alle elektrischen Schaltungsanordnungen, die dazu geeignet sind, aus einer Gleichspannung eine
Wechselspannung zu erzeugen. Vorzugsweise handelt es sich bei einem Inverter im Sinne der vorliegenden Erfindung um eine Schaltung, die aus einer Gleichspannung eine sinunusförmige oder zumindest annähernd sinusförmige Wechselspannung erzeugt. Dabei kann es sich bei der zu erzeugenden Wechselspannung sowohl um eine einphasige Wechselspannung oder auch um eine dreiphasige Wechselspannung handeln. Letztete sind insbesondere zum Betrieb von Drehstrommotoren erforderlich. Inverter im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei auch ausdrücklich solche Schaltungen, die neben der Erzeugung von Wechselspannungen aus Gleichstrom darüber hinaus auch in der Lage sind in einem umgekehrten Betriebsmodus, also bei Anliegen einer Wechselspannung auf der Gleichstromseite auch einen gleichgerichteten Strom bereitzustellen, der dazu geeignet ist, die Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine aufladbare Batterie, mit Energie zu versorgen und aufzuladen.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Motoransteuerung. Als Energiequelle dient eine Gleichspannungsquelle 1 , beispielsweise in Form einer Batterie. Diese Spannungsquelle 1 speist eine Inverterschaltung 2a. Die Inverterschaltung 2a generiert aus der angelegten Gleichspannung ein Ausgangssignal, das dazu geeignet ist, den angeschlossenen Motor 3 anzusteuern. Bei dem Motor 3 kann es sich dabei beispielsweise um einen dreiphasigen Synchronmotor handeln. Grundsätzlich sind jedoch auch ebenso andere elektrische Antriebe möglich. Als elektrische Antriebe im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei sämtliche elektrische Antriebe zu verstehen, die durch eine Inverterschaltung angesteuert werden können. Solche elektrischen Antriebe können beispielsweise ein- oder dreiphasige Elektromotoren sein. Die Inverterschaltung 2a erzeugt dabei zur Ansteuerung des elektrischen Antriebs 3 ein geeignetes Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal kann beispielsweise mittels PWM geregelt werden. Aufgrund der zahlreichen Schaltvorgänge während der
Pulsweitenmodulation, aber auch aufgrund von Asymmetrien des elektrischen Antriebs entstehen dabei auf der Eingangsseite des Inverters 20 Störungen, sogenannte Ripple. Zur Unterdrückung dieser Ripple befindet sich bei dieser Inverterschaltung 2a am Eingang des Inverters 20 ein Zwischenkreiskondensator 25. Figur 2 zeigt die Ansteuerung eines elektrischen Antriebs 3 mittels einer
erfindungsgemäßen Inverterschaltung 2. Diese erfindungsgemäße Inverterschaltung 2 unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten Inverterschaltung 2a dahingehend, dass der Zwischenkreiskondensator 25 durch zwei Notchfilter 21 und 22 ersetzt wurde. Bei jedem dieser beiden Notchfilter 21 , 22, die auch unter dem Begriff Kerbfilter bekannt sind, handelt es sich um einen Filterzweig, der dazu ausgelegt ist, einen schmalen
Frequenzbereich auszufiltern. Somit können durch die Verwendung der beiden Notchfilter
21 und 22 gezielt Störungen aus zwei Frequenzbänder der jeweiligen Notchfilter 21 und
22 herausgefiltert werden. Vorzugsweise handelt es sich bei den Filterfrequenzen dabei einerseits um die
Schaltfrequenz des Inverters 20, andererseits um die erste Oberschwingung dieser Schaltfrequenz, was dem Doppelten der Schaltfrequenz entspricht.
Bei diesen beiden Frequenzbereichen, der Grundfrequenz und der ersten
Oberschwingung handelt es sich um die beiden signifikantesten Störungen. Somit kann insbesondere durch das Ausfiltern dieser beiden Frequenzbereiche eine besonders effektive Beseitigung der Störungen aus der Inverterschaltung 2 erzielt werden.
Grundsätzlich ist jedoch, je nach auftretendem Störspektrum, auch die Wahl von anderen Frequenzbereichen für die jeweiligen Notchfilter 21 und 22 möglich.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für die beiden Notchfilter 21 und 22. Das erste Notchfilter 21 umfasst dabei üblicherweise zumindest eine erste Induktivität L21 und eine erste Kapazität C21 . In diesem Schaltbild nicht dargestellt sind dabei die parasitären Eigenschaften der Komponenten und der
Zuleitungen. Diese sind bei der Dimensionierung der Bauelemente und der Abstimmung für die gewünschte Filterfrequenz jedoch noch zu berücksichtigen. Analog zu dem ersten Notchfilter 21 umfasst das zweite Notchfilter 22 ebenfalls zumindest eine zweite Induktivität L22 und eine zweite Kapazität C22. Auch in diesem Fall sind die parasitären Eigenschaften der Bauelemente und Zuleitungen nicht dargestellt.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Inverterschaltung 2, wie zuvor beschrieben, mindestens zwei Notchfilter 21 und 22. Somit können die beiden stärksten auftretenden Störungen, üblicherweise die Grundfrequenz und die erste obere Schwingung eliminiert werden. Darüber hinaus ist es jedoch weiterhin auch denkbar und möglich, mehr als diese beiden dargestellten und beschriebenen Saugkreise einzusetzen. So können
beispielsweise auch drei oder mehr Notchfilter zur Eliminierung von Störsignalen eingesetzt werden. Je nach konkretem Anwendungsfall ist dabei zwischen zu
erwartendem Nutzen und zusätzlichem schaltungstechnischen Aufwand abzuwägen. Konventionelle Inverter arbeiten üblicherweise für die Pulsweitenmodulation in einem Frequenzbereich von ca. 10 kHz. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Notchfilter 21 und 22 anstelle eines konventionellen Zwischenkreiskondensators können jedoch insbesondere auch höhere PWM-Frequenzen verwendet werden. Dabei steigen mit zunehmender PWM-Grundfrequenz die Vorteile der erfindungsgemäßen Filterung gegenüber einem konventionellen Zwischenkreiskondensator. Insbesondere zeigt sich bei PWM-Frequenzen ab 20 kHz die Überlegenheit der Verwendung von Notchfiltern.
Besonders vorteilhaft sind dabei beispielsweise PWM-Grundfrequenzen ab ca. 40 kHz. Für eine solche Grundfrequenz können mit den beiden erfindungsgemäßen Notchfiltern 21 und 22 noch zuverlässig und effektiv die auftretenden Ripple gedämpft werden. Im Gegensatz dazu ist mit einem konventionellen Zwischenkreiskondensator bei solch hohen PWM-Frequenzen eine ausreichende Dämpfung nicht mehr möglich.
Bei der Dimensionierung der Bauelemente für die beiden Notchfilter 21 und 22 sind dabei jedoch auch die Toleranzen der realen Bauelemente zu berücksichtigen. Dies führt dazu, dass sich zwischen der realen Filterfrequenz der beiden Notchfilter 21 und 22 und den theoretisch zu erzielenden Filterfrequenzen Abweichungen ergeben. Weitere
Abweichungen können auch beispielsweise aufgrund Alterungserscheinungen der Bauelemente auftreten. Um dem entgegenzuwirken, kann beispielsweise für ein erstes Notchfilter 21 die tatsächliche Filterfrequenz bestimmt werden. Daraufhin kann zur Optimierung des Filterverhaltens die PWM-Frequenz des Inverters 20 innerhalb eines vorgegebenen zulässigen Bereiches nach oben oder unten korrigiert werden, so dass die tatsächliche Filterfrequenz des ersten Notchfilters 21 möglichst genau mit der PWM-Grundfrequenz übereinstimmt.
Grundsätzlich wäre es ebenso denkbar, anstelle der Abstimmung von PWM-Frequenz auf das Notchfilter der Grundfrequenz, auch die Filterfrequenz eines Notchfilters für eine obere Schwingung zu ermitteln und basierend darauf die PWM-Frequenz exakt auf dieses Filter abzustimmen.
Der zuvor beschriebene Ansatz zur Anpassung der PWM-Frequenz an ein Notchfilter ermöglicht jedoch nur eine Anpassung auf ein Filter. Abweichungen mehrerer Filter können dabei jedoch nicht gleichzeitig kompensiert werden. Figur 4 zeigt einen weiteren Ansatz zur Kompensation von Diskrepanzen zwischen tatsächlicher Filterfrequenz eines Notchfilters und auftretenden Störfrequenzen. Gemäß dieser Ausführungsform können mittes einer Abstimmmschaltung zu der Basiskapazität eines Notchfilters je nach Bedarf ein oder mehrere weitere Kapazitäten C1 bis C6 parallel hinzugeschaltet werden. Durch diese Parallelschaltung mehrerer Kapazitäten vergrößert sich die Gesamtkapazität des Filters und die Filterfrequenz wird entsprechend angepasst. Somit können Abweichungen zwischen der tatsächlichen Filterfrequenz und der gewünschten Zielfrequenz ermittelt werden und daraufhin die Kapazität des jeweiligen Filterkreises angepasst werden. Die anzahl von sechs weiteren Kapazitäten ist dabei nur beispielhaft. Je nach Anwendungsfall sind ebenso mehr oder auch gegebenenfalls weniger weitere Kapazitäten möglich.
Vorzugsweise sind dabei die Kapazitäten der zusätzlichen Kondensatoren C1 bis C6 in Zweierpotenzen abgestuft. In diesem Fall kann durch eine entsprechende
Parallelschaltung jede Kapazität von (2n - 1 ) C dargestellt werden, wobei C die Kapazität des kleinsten Kondensators aus der Reihe der Zweierpotenzen ist und n die Anzahl der Kondensatoren ist, also in dem dargestellten Beispiel n = 6. Für eine möglichst flexible Variation der Kapazität sollte dabei die Basiskapazität C7 geringer sein, als der theoretische Wert, der sich aus dem Filterdesign ergibt. Um eine möglichst flexible Anpassung zu gewährleisten, sollte der Wert der Basiskapazität C7 von dem aus dem Filterdesign errechneten Sollwert um etwa den halben Wert abweichen, der durch die zusätzlichen Kapazitäten C1 bis C6 maximal bereitgestellt werden kann. Somit kann die Kapazität des jeweiligen Notchfilters nach oben und unten optimal variiert werden und somit eine entsprechende Anpassung der Filterfrequenz erfolgen.
Die einzelnen Kondensatoren C1 bis C6 können dabei durch die jeweiligen Transistoren M1 bis M6 bei Bedarf dazugeschaltet werden. Die restliche Beschaltung dient nur zum Schutz und zur kostengünstigen Implementierung der Schaltung. Die beiden Spannungen V1 und V2 dienen als Referenzpotentiale. Dabei ist die Spannung V1 größer als die halbe Peak-Peak-Spannung des Ripples. Ferner ist Spannung V2 größer als die Summe vom V1 und der halben Peak-Peak-Spannung des Ripples. Wird in diesem Fall ein Ripple auf V1 aufmoduliert, so ist die resultierende Spannung stets größer als Masse aber kleiner als V2.
Durch die Widerstände R1 bis R6 liegt an den Transistoren M1 bis M6 stets eine definierte Spannung. Durch Anbindung an V1 wird trotz des anliegenden Ripples die parasitäre Diode innerhalb des gesperrten FET nie leitend, so dass der Transistor stets wie gewünscht sperrt. Somit liegt an dem Transistor maximal die relativ niedrige
Ripplespannung an, was die Verwendung sehr preiswerter Transistoren ermöglicht. Die Dioden D1 bis D6 dienen darüber hinaus ebenfalls dem Schutz der Schalter bei schnellen Spannungsänderungen in Sonderfällen, insbesondere beim Überschreiten des maximalen Ripples.
Die jeweiligen Transistoren M1 bis M6 schalten die jeweiligen Kondensatoren C1 bis C6 hinzu bzw. ab. Eine Änderung der Kapazität und ein damit verbundener Schaltvorgang an einem der Transistoren erfolgt dabei jedoch nur sehr selten, insbesondere nur dann, wenn die Kapazität angepasst werden muss. Hierzu sind nur sehr langsame Schaltvorgänge erforderlich. Daher ist es auch ausreichend, für die jeweiligen Transistoren M1 bis M6 relativ preiswerte, langsam schaltende Transistoren auszuwählen.
Figur 5 zeigt abschließend eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeuges 5, das mit einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung 2 ausgerüstet ist. Das Elektrofahrzeug 5 wird dabei von einer Batterie 1 , vorzugsweise einer Hochspannungsbatterie gespeist. Die Gleichspannung aus dieser Batterie 1 wird der Inverterschaltung 2 zugeführt. Am Eingang des Inverters 20 liegen dabei die beiden Notchfilter 21 und 22. Somit werden die auftretenden Störsignale durch diese beiden Filterschaltungen 21 , 22 zuverlässig eliminiert. Am Ausgang des Inverters 20 ist der elektrische Antrieb 3 für das
Elektrofahrzeug 5 angeschlossen. Dieser elektrische Antrieb kann einerseits exklusiv den Antrieb des Elektrofahrzeuges 5 ermöglichen. Alternativ ist es jedoch auch ebenso möglich, dass es sich bei dem elektrischen Antrieb 3 um einen Zusatzantrieb zusätzlich zu konventionellen Antrieben beispielsweise mittels eines Verbrennungsmotors handelt. Die Erfindung umfasst darüber hinaus ferner insbesondere auch solche
Inverterschaltungen, die dazu ausgestattet sind, Bewegungsenergie eines
Elektrofahrzeuges 5 wieder zurück in elektrische Energie umzuwandeln und diese elektrische Energie wieder dem Energiespeicher 1 zuzuführen. Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Unterdrückung von Störsignalen in einer Inverterschaltung 2. In einem ersten Schritt 31 wird die
Eingangsspannung der Inververschaltung 2 durch ein erstes Notchfilter 21 mit der entsprechenden ersten Filterfrequenz gefiltert. Beispielsweise kann es sich bei diesem ersten Notchfilter 21 um ein Filter handeln, das die Störungen der Grundfrequenz der PWM unterdrückt. In einem weiteren Schritt 32 wird darüberhinaus zusätzlich die
Eingangsspannung der Inverterschaltung 2 durch ein zweites Notchfilter 22 mit einer zweiten Filterfrequenz gefiltert. Hierbei kann es sich zum Beispiel um die Störsignale der ersten Oberschwingung der PWM-Frequenz handeln. Andere Filterfrequenzen sind dabei selbstverständlich ebenso möglich. Darüber hinaus ist es auch möglich, in weiteren Schritten noch zusätzliche Frequenzen auszufiltern und somit weitere Störanteile zu eliminieren.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Inverterschaltung 2 zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebes 3 mit einer verbesserten Unterdrückung von Störsignalen. Durch die Verwendung von mindestens zwei Notchfilter 21 , 22 anstelle eines Zwischenkreiskondensators 25 können auftretende Störsignale zuverlässig unterdrückt werden. Dabei kann gleichzeitig die Schaltfrequenz des Inverters 20 signifikant angehoben werden, ohne dass sich dies nachteilig auf die auftretenden Störimpulse auswirkt. Die Erfindung betrifft ferner auch ein Elektrofahrzeug 5, das mit einer solchen Inverterschaltung 2 ausgerüstet ist.

Claims

Ansprüche
1 . Inverterschaltung für einen elektrischen Antrieb (3) umfassend: ein erstes Notchfilter (21 ) mit einer ersten Filterfrequenz; und ein zweites Notchfilter (22) mit einer zweiten Filterfrequenz.
2. Inverterschaltung nach Anspruch 1 , wobei die erste Filterfrequenz des ersten Notchfilters (21 ) einer Schaltfrequenz der Inverterschaltung (2) entspricht.
3. Inverterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltfrequenz der Inverterschaltung (2) an die erste Filterfrequenz des ersten Notchfilters (21 ) angepasst ist.
4. Inverterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Filterfrequenz des zweiten Notchfilters (22) der doppelten Schaltfrequenz der
Inverterschaltung (2) entspricht.
5. Inverterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Notchfilter (21 ) mindestens einen ersten Kondensator (C21 ) und eine erste Induktivität (L21 ) umfasst; und wobei das zweite Notchfilter (22) mindestens einen zweiten Kondensator (C22) und eine zweite Induktivität (L22) umfasst.
6. Inverterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Notchfilter (22) eine Abstimmschaltung umfasst, die dazu ausgelegt ist, die zweite Filterfrequenz des zweiten Notchfilters (22) anzupassen.
7. Inverterschaltung nach Anspruch 6, wobei die Abstimmschaltung des zweiten Notchfilters (22) eine Mehrzahl von Hilfskondensatoren (C1 - C6) umfasst. Inverterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltfrequenz der Inverterschaltung (2) mindestens 20 kHz, vorzugsweise mindestens 40 kHz beträgt.
Elektrofahrzeug mit einer Inverterschaltung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer Inverterschaltung (2), mit den Schritten:
Filtern (31 ) einer Eingangsspannung der Inverterschaltung (2) durch ein erstes Notchfilter (21 ) mit einer ersten Filterfrequenz; und
Filtern (32) der Eingangsspannung der Inverterschaltung (2) durch ein zweites Notchfilter (22) mit einer zweiten Filterfrequenz.
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