WO2017220242A1 - Kombinierter gleich- und gegentakt zwischenkreisfilter eines motorwechselrichters - Google Patents

Kombinierter gleich- und gegentakt zwischenkreisfilter eines motorwechselrichters Download PDF

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WO2017220242A1
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Heinz Lindenberger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0064—Magnetic structures combining different functions, e.g. storage, filtering or transformation

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for supply side connection to an inverter of an electrical machine, with a filter circuit having at least one filter stage.
  • the invention further relates to a provided with egg ner such circuitry electrical machine.
  • Electric (electric motor) driven vehicles such as electric or hybrid vehicles, typically include electric machines for driving one or both vehicle axles.
  • electromotive An ⁇ drive machines usually include a controlled
  • Synchronous or electric motor which for supplying electrical energy to an in-vehicle
  • the electric motor of the electric machine comprises a gate herkömmli ch considered respect to a stator rotatably supported Ro, which is by means of a rotating magnetic field is trie ⁇ ben.
  • the coils Wick (phase windings, stator windings) of the stator are subjected to a corresponding three-phase current, which is converted from a DC voltage of the energy storage by means of a Wech ⁇ selrichters (power converter, inverter).
  • the inverter When used in an electric or electric motor driven motor vehicle, the inverter is preferably adapted and arranged to effectively convert between a direct current and a three phase alternating current.
  • the inverter has a bridge circuit coupled to an intermediate circuit capacitor.
  • the bridge circuit comprises a number of bridge modules (half bridges) corresponding to the number of (motor) phases, which are interconnected between a plus path and a minus path of the inverter.
  • This radiation or interference problem for example, by a high-quality and costly (radiation) shielding off ⁇ all components and lines in the (high-voltage) system solvable, whereby the radiation is avoided or at least reduced.
  • the battery and the lines between the battery and the inverter and all other connected components and lines of the high-voltage system are shielded.
  • the shielding of the complete system is thus verbun ⁇ ⁇ at a considerable cost.
  • filter circuits in the high-voltage system typically include X-type supercapacitor assemblies with X capacitors connected as a parallel capacitor between the plus path and the minus path, and Y capacitors each connected between one of the conduction paths and a grounded case
  • the filter circuits furthermore have one or more filter inductors with which the induced interference signals or the voltage peaks are attenuated.
  • this ring core chokes are used with an annular ferrite core.
  • the positive path and the negative path are passed through the central recess of the annular combustion or perforated core.
  • the toroidal core chokes act as so-called common mode inductors (Common Mode, CM).
  • filter circuits constructed in this way have good damping characteristics with a low modulation with low phase currents, since in this case the common-mode noise forms the essential part of the generated voltage peaks.
  • the filter chokes have comparatively poor damping properties at a high modulation with high phase currents, since the proportion of differential mode (DM) increases with an increasing voltage level.
  • DM differential mode
  • a filter choke for use in motor vehicles in which a U-shaped bent line is enclosed by a throttle core.
  • the throttle core has two throttle core halves, between which an air gap is formed, which separates the throttle core halves from each other.
  • a magnetic field sensor is arranged with which a current measurement on the umringe ⁇ nen single conductor is possible.
  • the invention has for its object to provide a particularly ge ⁇ suitable circuit arrangement for the supply side connection to an inverter of an electrical machine, with which a reliable filtering of induced noise, especially for applications in the high-voltage range, is possible.
  • the circuit arrangement is suitable and set up for the supply-side connection to an inverter of an electrical machine.
  • the electric machine is preferably an electromotive drive machine of an electrically driven motor vehicle, in particular of an electric or hybrid vehicle.
  • the circuit arrangement has a filter circuit with at least one filter stage.
  • the filtering stage comprises an interconnected between a positive path and ei ⁇ nem negative path of the inverter XY-interference-suppression capacitor assembly and a thereto series connected throttle filter assembly.
  • the filter inductor assembly has a positive and negative path encompassing toroidal inductor for common mode filtering (common mode inductance, CM inductance) and in each case a plus path and the minus ⁇ path encompassing storage inductor for push-pull filtering (DC clock inductance, DM inductance) on , Due to the two additional storage chokes, differential mode noise is thus attenuated on the individual line paths, so that the filter stage ensures a sufficient filtering effect even with large off ⁇ controls and high phase currents.
  • the pathways of the positive path and the negative path are designed as busbars.
  • the toroidal core choke essentially comprises a ring or core made of a highly permeable ferrite material.
  • the Spei ⁇ cherdrosseln are designed essentially as toroidal core chokes, in which the respective annulus is interrupted in sections with an additional air gap.
  • the air- In this case, the gap is designed as a gap-shaped interruption of the magnetic core material.
  • the throttle cores of the storage chokes an approximately
  • the storage chokes are integrally integrated to form a common throttle core in the toroidal core choke.
  • the common throttle core is designed with two substantially E-shaped throttle core halves (E core).
  • the reactor core is implemented as an EE core.
  • the E-cores of Drosselkernotrolf ⁇ th embrace here in each case in sections the positive path and negative path.
  • the conduction paths are in each case arranged in the free region between an outer E-leg (outer yoke) and the adjacent middle E-leg (middle yoke), so that the conduction paths in the assembled state are at least partially surrounded by the throttle core.
  • the outer and vertical E-legs of the throttle core halves form the closed ring core for common mode filtering.
  • the middle E-limbs of the throttle core halves of the throttle core are shortened in relation to the outer E-legs such that in the assembled state of the throttle core between the middle E-legs, a gap region or an air gap is exempted.
  • a sensor element for detecting a magnetic field in particular a Ge ⁇ gentaktfeldes, in the throttle core, in particular in the gap region between the throttle core halves integrated.
  • the magnetic field generated in the gap region of the middle of the E-limbs or Mitteljochs of the reactor core is propor tional ⁇ flowing to the (interference) power by the power rails of the positive path and the negative path.
  • the sensor element is essentially surrounded by the outer yoke of the reactor core and thus protected from the influence of foreign ⁇ or interference fields or shielded. Since ⁇ through a particularly reliable power measurement felicitge ⁇ provides.
  • the magnetic field sensor or the sensor element is designed as a Hall sensor.
  • the filter circuit has two filter stages connected in series to improve the filter effect.
  • An electrical machine according to the invention which is insbeson ⁇ particular suitable for use in an electric or Hybridfahrzeu ⁇ ge, has an energy store and an inverter as well as a connected between the energy store and the inverter circuitry.
  • an effective and space-reduced (high-voltage) filter is realized, which is particularly suitable for high-voltage applications in the drive train of an electromotive motor vehicle.
  • it is in particular possible (up to several 100 kW) is substantially close to a slightest ⁇ tung strong inverter interference to the energy store of the high-voltage battery.
  • the EMC-critical emissions occurring during operation are better damped, so that shields can be reduced or completely avoided. This translates in the following advantageous effect on the production cost of the high-voltage battery and the Bat ⁇ terie effet as well as the overall system formed thereby.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an electrical machine with an energy store and with an inverter and with a circuit arrangement connected between the energy store and the inverter;
  • FIG 2 is a sectional view of a choke core of the circuit arrangement with a schematic course of magnetic field lines in a common mode
  • 3 is a sectional view of the inductor core with a schematic course of magnetic field lines in a push-pull
  • FIG 4 is a sectional view of the inductor core with an integrated sensor element
  • FIG 5 shows a plan view of a throttle core half of the inductor core with the sensor element.
  • the 1 shows an electric (drive) machine 2 of an electric motor driven motor vehicle is shown.
  • the machine 2 comprises in this embodiment, an electrical energy storage 4 in the form of a high-voltage battery and an electric motor 6.
  • the electric motor 6 is connected by means of an inverter (inverter) 8 to the energy storage 4.
  • the inverter 8 has an intermediate circuit capacitor 10 and a bridge circuit 12 with three bridge modules or half bridges 14, with which a high-voltage DC voltage of the energy storage 4 in a three-phase motor voltage be ⁇ tion as a three-phase current with the phases u, v, w is converted.
  • the phases u, v, w are performed to operate the electric motor 6 to corresponding phase or winding ends of a stator, not shown.
  • the half bridges 14 are controlled and / or regulated by means of a controller 16 of a motor controller.
  • the controller 16 sends unspecified control signals to the half bridges 14.
  • Each half bridge 14 here has two semiconductor switches 18 designed as IGBTs (insulated gate bipolar transistor).
  • the semiconductor switches 18, which are provided only by way of example with reference numerals, are switched in a clocked manner between a conducting state and a non-conducting state by means of pulse-width-modulated signals (PWM signal) of a driver controlled by the control signals.
  • PWM signal pulse-width-modulated signals
  • the control signals and the PWM signals are shown schematically in FIG 1 by means of arrows.
  • the inverter 8 is connected to a DC voltage circuit 20 to the energy storage 4.
  • the DC voltage circuit 20 in this case has a positive path 22 and a negative path 24, between which the DC link capacitor 10 and the bridge circuit 12 are connected. Due to the high-voltage ⁇ voltage of the DC voltage circuit 20 and the thus the occurring high electric currents, the conduction paths of the plus and the minus path 22 path 24 are preferably as
  • voltage spikes are generated as interference signals in the Gleichputskeis 20.
  • these interference signals occur relative to a housing potential 26 and relatively between the positive path 22 and the negative path 24.
  • the housing potential 26 is, for example, a shield for reducing a noise caused by the interference signals
  • Interference radiation and preferably forms the ground and Be ⁇ zugspotential of the inverter. 8
  • a circuit arrangement 28 is connected in the DC voltage circuit 20 between the energy store 4 and the inverter 8.
  • the circuit arrangement 28 has two series-connected filter stages 30 as a filter circuit 32 for interference suppression of the DC voltage circuit 20.
  • the filter stages 30 each have an XY suppression capacitor assembly 34 and a filter choke assembly 36 connected in series therewith. Exemplary are in the 1 shows only an XY suppression capacitor assembly 34 and a filter choke assembly 36 provided with reference numerals.
  • the XY suppression capacitor assembly 34 includes a see between the positive path 22 and the negative path 24 connected as a parallel capacitor X-capacitor 38 and two Y-capacitors 40, which couple the positive path 22 and the minus ⁇ path 24 against the housing potential 26.
  • the filter inductor assembly 36 has a positive terminal 22 and the negative path 24 encompassing toroidal core inductor 42 and two storage inductors 44a and 44b, which respectively surround the positive path 22 and the negative path 24 individually.
  • the toroidal core choke 42 causes common mode noise
  • FIG 2 which means that noise in the paralle ⁇ len Plus path 22 and negative path 24, filtered in the same direction from ⁇ wide.
  • the downstream storage chokes 44a and 44b filter differential mode noise (FIG. 3), in which the interference signals of the plus path 22 and the minus path 24 propagate in different directions.
  • the storage throttles 44a and 44b are preferably integrally integrated into the toroidal core choke 42.
  • the filter inductor assembly 36 is thus essentially formed by a common inductor core 46 through which the positive path 22 and the negative path 24 are passed in sections.
  • the choke core 46 is made of a high permeability magnetic material, in particular a ferrite.
  • the Dros ⁇ selkern 46 is executed in this embodiment as an EE core and has as such two E-cores as together ⁇ available throttle core halves 48 and 50 on.
  • the positive path 22 and the negative path 24 are in the joining state in each case between the outer E legs 48 a, 48 b, 50a, 50b and the intermediate E-legs 48c, 50c formed gaps 52 out.
  • the outer E-legs 48a, 48b, 50a, 50b with the vertical E-legs 48d and 50d form a circumferentially closed (ring) yoke as a toroidal core choke 42.
  • the middle E legs 48c and 50c form a middle yoke disposed between the paths 22 and 24.
  • E-legs 48c and 50c are here compared to the outer E-legs E-legs 48a and 48b or 50a and 50b shortened, so that between the middle
  • a gap area 54 is released as an air gap.
  • the storage chokes 44a is formed by the E-legs 48a, 48c, 50a, 50c and in sections by the E-legs 48d and 50d.
  • the storage chokes 44b are respectively formed by the E-legs 48b, 48c, 50b, 50c and in sections by the E-legs 48d and 50d.
  • the magnetic fields (interference fields, interference radiation) generated by the interference signals are essentially concentric around the plus path 22 and the minus path 24, as shown in FIG. 2.
  • the magnetic fluxes substantially add up within the Ring yoke of the inductor core 46, where ⁇ acts through the inductor core 46 as a common mode inductance for common mode filtering.
  • the magnetic fluxes essentially pass through the middle yoke of the E legs 48c and 50c.
  • the inductor core 46 acts as push-pull inductance for push-pull filtering, wherein the inductance can be predetermined by the inside width of the gap region 54.
  • a designed as a Hall sensor sensor element 56 is arranged in the Spaltbe ⁇ rich 54 between the E-legs 48c and 50c.
  • the magnetic field generated in the gap region 54 is proportional to the current, that is to say the interference signals, in the plus path 22 and the minus path 24. This makes it mög ⁇ Lich to easily determine ways the current strength of the interfering signals.

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Abstract

Schaltungsanordnung zum Anschluss an einen Wechselrichter einer elektrischen Maschine Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (28) zum versorgerseitigen Anschluss an einen Wechselrichter (8) einer elektrischen Maschine (2), mit einer Filterschaltung (32) mit mindestens einer Filterstufe (30), wobei die Filterstufe (30) eine zwischen einem Pluspfad (22) und einem Minuspfad (24) des Wechselrichters (8) verschaltete X-Y-Entstörkondensator-Baugruppe (34) und eine hierzu in Reihe geschaltete Filterdrossel-Baugruppe (36) aufweist, und wobei die Filterdrossel-Baugruppe (36) mit einer den Pluspfad (22) und den Minuspfad (24) umgreifenden Ringkerndrossel (42) zur Gleichtaktfilterung sowie mit jeweils einer den Pluspfad (22) und den Minuspfad (24) umgreifenden Speicherdrossel (44a, 44b) zur Gegentaktfilterung ausgeführt ist.

Description

KOMBINIERTER GLEICH- UND GEGENTAKT ZWI SCHENKREISFILTER EINES MOTORWECHSELRICHTERS
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum ver- sorgerseitigen Anschluss an einen Wechselrichter einer elektrischen Maschine, mit einer Filterschaltung mit mindestens einer Filterstufe. Die Erfindung betrifft weiter eine mit ei ner derartigen Schaltungsanordnung versehene elektrische Maschine .
Elektrisch (elektromotorisch) angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise elektrische Maschinen zum Antrieb einer oder beider Fahrzeugachsen auf. Derartige elektromotorische An¬ triebsmaschinen umfassen in der Regel einen gesteuerten
Synchron- beziehungsweise Elektromotor, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an eine fahrzeuginterne
(Hochvolt- ) Batterie als elektrischen Energiespeicher gekop¬ pelt ist.
Der Elektromotor der elektrischen Maschine umfasst herkömmli cherweise einen gegenüber einem Stator drehbar gelagerten Ro tor, welcher mittels eines magnetischen Drehfeldes angetrie¬ ben wird. Zur Erzeugung des Drehfeldes werden die Spulenwick lungen (Phasenwicklungen, Statorwicklungen) des Stators mit einem entsprechenden Drehstrom beaufschlagt, welcher aus einer Gleichspannung des Energiespeichers mittels eines Wech¬ selrichters (Stromrichter, Inverter) gewandelt wird.
Bei einer Anwendung in einem elektrischen oder elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug ist der Wechselrichter vorzugsweise dazu geeignet und eingerichtet, in effektiver Weise zwischen einem Gleichstrom und einem Drehstrom (Wechselstrom) zu wandeln. Dadurch ist einerseits ein Energiefluss aus dem Energiespeicher zum Elektromotor (Normalbetrieb) sowie andererseits eine Rückspeisung elektrischer Energie von dem Elektromotor zu dem Energiespeicher (generatorischer oder rekuperativer Betrieb) , beispielsweise während eines Brems¬ vorgangs, ermöglicht. Zu diesem Zwecke weist der Wechselrichter eine mit einem Zwi- schenkreiskondensator gekoppelte Brückenschaltung auf. Die Brückenschaltung umfasst eine der Anzahl der (Motor- ) Phasen entsprechende Anzahl von Brückenmodulen (Halbbrücken) , die zwischen einem Pluspfad und einem Minuspfad des Wechselrich- ters verschaltet sind.
Durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Brückenmodule ist es beispielsweise möglich, die Drehfrequenz und die Amp¬ litude des Drehstroms zu regeln beziehungsweise einzustellen. Nachteiligerweise werden bei diesen Schaltvorgängen aufgrund der zu schaltenden Hochvoltspannung signifikante Spannungsspitzen in dem Plus- und Minuspfad des Wechselrichters sowie in den zum Energiespeicher geführten Leitungen erzeugt. Aufgrund der typischerweise hohen Schaltfrequenz, insbesondere aufgrund häufiger und schneller Schaltvorgänge, entsteht so¬ mit eine hochfrequente und breitbandige Abstrahlung (Stör¬ strahlung, Streufeld) . Die Abstrahlung ist hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) der elektrischen Maschine sowie der umliegenden Elektronik des Kraftfahrzeugs als kritisch anzusehen.
Dieses Abstrahlungs- oder Störungsproblem ist beispielsweise durch eine hochwertige und kostenintensive ( Strahlungs- ) Ab¬ schirmung aller Bauteile und Leitungen im (Hochvolt- ) System lösbar, wodurch die Abstrahlung vermieden oder zumindest reduziert wird. Hierzu werden insbesondere die Batterie und die Leitungen zwischen der Batterie und dem Wechselrichter sowie alle weiteren angeschlossenen Komponenten und Leitungen des Hochvolt-Systems abgeschirmt. Die Abschirmung des kompletten Systems ist somit mit einem erheblichen Kostenaufwand verbun¬ den . Zur Einhaltung der EMV-Grenzwerte ist es ebenso denkbar, Filterschaltungen in das Hochvolt-System zu verschalten. Derartige Filterschaltungen umfassen typischerweise X-Y-Entstör- kondensator-Baugruppen mit X-Kondensatoren, welche als Paral- lelkondensator zwischen dem Pluspfad und dem Minuspfad verschaltet sind, und Y-Kondensatoren, welche jeweils zwischen einem der Leitungspfade und einem geerdeten Gehäuse der
Schaltung geschaltet sind. Die Filterschaltungen weisen weiterhin eine oder mehrere Filterdrosseln auf, mit welchen die induzierten Störsignale beziehungsweise die Spannungsspitzen gedämpft werden.
In der Regel werden hierbei Ringkerndrosseln mit einem ringförmigen Ferritkern eingesetzt. Hierzu werden der Pluspfad und der Minuspfad durch die zentrale Aussparung des Ring¬ oder Lochkerns geführt. Die Ringkerndrosseln wirken hierbei als sogenannte Gleichtakt-Induktivitäten (Common Mode, CM) .
Derartig aufgebaute Filterschaltungen weisen insbesondere gu- te Dämpfungseigenschaften bei einer geringen Aussteuerung mit geringen Phasenströmen auf, da hierbei die Gleichtaktstörungen den wesentlichen Anteil der erzeugten Spannungsspitzen bilden. Nachteiligerweise weisen die Filterdrosseln bei einer hohen Aussteuerung mit hohen Phasenströmen vergleichsweise schlechte Dämpfungseigenschaften auf, da der Anteil von Ge- gentaktstörungen (Differential Mode, DM) mit größer werdenden Spannungsniveau zunimmt. Dadurch sind derartige Filterschal¬ tungen lediglich eingeschränkt für den Einsatz bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen geeignet.
Aus der DE 10 2006 037 003 AI ist eine Filterdrossel für den Einsatz im Kraftfahrzeug bekannt, bei welcher eine U-förmig gebogene Leitung von einem Drosselkern umschlossen wird. Der Drosselkern weist zwei Drosselkernhälften auf, zwischen denen ein Luftspalt ausgebildet ist, welcher die Drosselkernhälften voneinander trennt. In dem Luftspalt ist ein Magnetfeldsensor angeordnet, mit welchen eine Strommessung auf dem umschlosse¬ nen Einzelleiter möglich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders ge¬ eignete Schaltungsanordnung zum versorgerseitigen Anschluss an einen Wechselrichter einer elektrischen Maschine anzugeben, mit welcher eine zuverlässige Filterung von induzierten Störsignalen, insbesondere für Anwendungen im Hochvolt-Bereich, ermöglicht ist.
Die Schaltungsanordnung ist zum versorgerseitigen Anschluss an einen Wechselrichter einer elektrischen Maschine geeignet und eingerichtet. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich vorzugsweise um eine elektromotorische Antriebsmaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Die Schaltungsanordnung weist zur Dämpfung und Filterung von Störsignalen eine Fil- terschaltung mit mindestens einer Filterstufe auf.
Die Filterstufe umfasst eine zwischen einem Pluspfad und ei¬ nem Minuspfad des Wechselrichters verschaltete X-Y-Entstör- kondensator-Baugruppe sowie eine hierzu in Reihe geschaltete Filterdrossel-Baugruppe. Die Filterdrossel-Baugruppe weist eine den Pluspfad und den Minuspfad umgreifenden Ringkerndrossel zur Gleichtaktfilterung (Gleichtakt-Induktivität, CM- Induktivität ) sowie jeweils eine den Pluspfad und den Minus¬ pfad umgreifende Speicherdrossel zur Gegentaktfilterung (Ge- gentakt-Induktivität , DM-Induktivität) auf. Durch die zwei zusätzlichen Speicherdrosseln werden somit Gegentaktstörungen auf den einzelnen Leitungspfaden gedämpft, sodass die Filterstufe eine ausreichende Filterwirkung auch bei großen Aus¬ steuerungen und hohen Phasenströmen gewährleistet.
Vorzugsweise sind die Leitungsbahnen des Pluspfads und des Minuspfads als Stromschienen ausgeführt.
Die Ringkerndrossel umfasst im Wesentlichen einen Ring- oder Lochkern aus einem hochpermeablen Ferritmaterial. Die Spei¬ cherdrosseln sind im Wesentlichen als Ringkerndrosseln ausgeführt, bei welchen der jeweilige Kreisring mit einem zusätzlichen Luftspalt abschnittsweise unterbrochen ist. Der Luft- spalt ist hierbei als eine spaltförmige Unterbrechung des magnetischen Kernmaterials ausgeführt. Mit anderen Worten weisen die Drosselkerne der Speicherdrosseln eine etwa
C-Bogen-artige Querschnittsform auf, mit welcher der Pluspfad beziehungsweise der Minuspfad zumindest abschnittsweise um¬ griffen wird.
In einer geeigneten Weiterbildung sind die Speicherdrosseln einstückig unter Bildung eines gemeinsamen Drosselkerns in die Ringkerndrossel integriert. Durch die Integration der Ge¬ gentakt-Induktivitäten der Speicherdrosseln in die Gleichtakt-Induktivität der Ringkerndrossel ist ein besonders ein¬ facher und bauteilreduzierter Aufbau der Schaltungsanordnung realisiert. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf eine Reduzierung des benötigten Bauraums sowie der Herstel¬ lungskosten .
In einer geeigneten Ausgestaltung ist der gemeinsame Drosselkern mit zwei im Wesentlichen E-förmigen Drosselkernhälften (E-Kern) ausgeführt. Mit anderen Worten ist der Drosselkern als ein EE-Kern ausgeführt. Die E-Kerne der Drosselkernhälf¬ ten umgreifen hierbei jeweils abschnittsweise den Pluspfad und den Minuspfad. Die Leitungspfade sind hierbei jeweils im freigestellten Bereich zwischen einem äußeren E-Schenkel (Außenjoch) und dem benachbarten mittleren E-Schenkel (Mitteljoch) angeordnet, sodass die Leitungspfade im zusammenge¬ setzten Zustand zumindest abschnittsweise von dem Drosselkern umgeben sind. Im zusammengesetzten Zustand bilden die äußeren und vertikalen E-Schenkel der Drosselkernhälften den geschlossenen Ringkern zur Gleichtaktfilterung. In einer zweckdienlichen Ausbildung sind die mittleren E-Schenkel der Drosselkernhälften des Drosselkerns gegenüber den äußeren E-Schenkeln derart verkürzt, dass im zusammengesetzten Zustand des Drosselkerns zwischen den mittleren E-Schenkeln ein Spaltbereich beziehungsweise ein Luftspalt freigestellt ist. Mit anderen Worten sind die (C-Bogen-artigen) Speicherdrosseln im zusammenge- b
setzten Zustand durch die mittleren E-Schenkel und die je¬ weils miteinander fluchtend angeordneten äußeren E-Schenkel sowie den jeweils dazwischen angeordneten Abschnitt des vertikalen E-Schenkels gebildet. Dadurch ist eine besonders ge- eignete und bauraumkompakte kombinierte Gleichtakt-Gegentakt- Induktivität durch den Drosselkern realisiert. Die Wirkung oder Induktivität zur Gegentaktfilterung ist hierbei durch die lichte Weite des Spaltbereichs, also durch den gegensei¬ tigen Abstand der mittleren E-Schenkel im Fügezustand vorgeb- bar.
In einer vorteilhaften Ausführung ist ein Sensorelement zur Erfassung eines magnetischen Feldes, insbesondere eines Ge¬ gentaktfeldes , in den Drosselkern, insbesondere in den Spalt- bereich zwischen den Drosselkernhälften, integriert. Das erzeugte Magnetfeld im Spaltbereich der mittleren E-Schenkel beziehungsweise des Mitteljochs des Drosselkerns ist propor¬ tional zu dem ( Stör- ) Strom, welcher durch die Stromschienen des Pluspfads und des Minuspfads fließt.
Im Gegensatz zu Messanordnungen an einer einzelnen Stromschiene werden hierbei im Wesentlichen lediglich die Gegen- taktanteile, das bedeutet die erzeugten Felder der Betriebs¬ ströme, gemessen. Die Gleichtaktstörungen oder Gleichtaktan- teile erzeugen kein messbares Magnetfeld zwischen den Lei¬ tungspfaden. Dadurch entfallen zusätzliche Busbars oder
Shuntwiderstände für die Strommessung, wodurch ein besonders einfacher Aufbau der Schaltungsanordnung gewährleistet ist. Das Sensorelement ist im Wesentlichen von dem Außenjoch des Drosselkerns umgeben und somit gegen den Einfluss von Fremd¬ oder Störfeldern geschützt beziehungsweise abgeschirmt. Da¬ durch ist eine besonders zuverlässige Strommessung sicherge¬ stellt .
In einer einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung ist der Magnetfeldsensor beziehungsweise das Sensorelement als ein Hall-Sensor ausgeführt. Ein weiterer oder zusätzlicher Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Filterschaltung zur Verbesserung der Filterwirkung zwei hintereinander geschaltete Filterstufen aufweist. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, welche insbeson¬ dere für eine Anwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeu¬ ge geeignet ist, weist einen Energiespeicher und einen Wechselrichter sowie eine zwischen dem Energiespeicher und den Wechselrichter geschaltete Schaltungsanordnung auf.
Durch die verbesserte Filterwirkung der Schaltungsanordnung ist ein effektiver und bauraumreduzierter (Hochvolt- ) Filter realisiert, welcher insbesondere für Hochvoltanwendungen im Antriebsstrang eines elektromotorischen Kraftfahrzeugs geeig- net ist. Dadurch ist es insbesondere möglich, einen leis¬ tungsstarken Wechselrichter (bis zu mehrere 100 kW) im Wesentlichen störungsfrei an den Energiespeicher der Hochvolt- Batterie anzuschließen. Des Weiteren werden somit die im Betrieb auftretenden EMV-kritischen Abstrahlungen besser ge- dämpft, sodass Abschirmungen reduzierbar oder vollständig vermeidbar sind. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf die Herstellungskosten der Hochvolt-Batterie und der Bat¬ terieleitungen sowie das dadurch gebildete Gesamtsystem. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 in einer schematischen Blockdarstellung eine elektrische Maschine mit einem Energiespeicher und mit einem Wechselrichter sowie mit einer zwischen den Energiespeicher und den Wechselrichter geschalteten Schaltungsanordnung,
FIG 2 eine Schnittdarstellung eines Drosselkerns der Schal- tungsanordnung mit einem schematischen Verlauf magnetischer Feldlinien bei einem Gleichtakt, FIG 3 eine Schnittdarstellung des Drosselkerns mit einem schematischen Verlauf magnetischer Feldlinien bei einem Gegentakt, FIG 4 eine Schnittdarstellung des Drosselkerns mit einem integrierten Sensorelement, und
FIG 5 in Draufsicht eine Drosselkernhälfte des Drosselkerns mit dem Sensorelement.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der FIG 1 ist eine elektrische (Antriebs- ) Maschine 2 eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Maschine 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen elektrischen Energiespeicher 4 in Form einer Hochvolt-Batterie und einen Elektromotor 6. Der Elektromotor 6 ist mittels eines Wechselrichters (Inverter) 8 an den Energiespeicher 4 angeschlossen.
Der Wechselrichter 8 weist einen Zwischenkreiskondensator 10 sowie eine Brückenschaltung 12 mit drei Brückenmodulen oder Halbbrücken 14 auf, mit welcher eine Hochvolt-Gleichspannung des Energiespeichers 4 in eine dreiphasige Motorspannung be¬ ziehungsweise einen Drehstrom mit den Phasen u, v, w gewandelt wird. Die Phasen u, v, w werden zum Betrieb des Elektro¬ motors 6 an entsprechende Phasen- oder Wicklungsenden eines nicht näher dargestellten Stators geführt.
Zur Wandlung der Hochvolt-Gleichspannung in den Drehstrom werden die Halbbrücken 14 mittels eines Controllers 16 einer Motorsteuerung gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zwecke sendet der Controller 16 nicht näher bezeichnete Steuersigna- le an die Halbbrücken 14. Jede Halbbrücke 14 weist hierbei zwei als IGBTs (insulated gate bipolar transistor) ausgeführte Halbleiterschalter 18 auf. Die lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehenen Halbleiterschalter 18 werden mittels pulsweitenmodulierter Signale (PWM-Signal) eines durch die Steuersignale gesteuerten Treibers getaktet zwischen einem leitenden und einem nicht- leitenden Zustand umgeschaltet. Die Steuersignale sowie die PWM-Signale sind in der FIG 1 mittels Pfeilen schematisch dargestellt .
Der Wechselrichter 8 ist mit einem Gleichspannungskreis 20 an den Energiespeicher 4 angeschlossen. Der Gleichspannungskreis 20 weist hierbei einen Pluspfad 22 und einen Minuspfad 24 auf, zwischen welchen der Zwischenkreiskondensator 10 und die Brückenschaltung 12 verschaltet sind. Aufgrund der Hochvolt¬ spannung des Gleichspannungskreises 20 sowie den dadurch auf- tretenden hohen elektrischen Strömen sind die Leitungsbahnen des Pluspfads 22 und des Minuspfads 24 vorzugsweise als
Stromschienen ausgeführt.
Bei einem (Um- ) Schaltvorgang der Halbleiterschalter 18 werden Spannungsspitzen als Störsignale in dem Gleichspannungskeis 20 erzeugt. Abhängig von der Ansteuerung des Wechselrichters 8 treten diese Störsignale relativ zu einem Gehäusepotential 26 auf und relativ zwischen den Pluspfad 22 und dem Minuspfad 24. Das Gehäusepotential 26 ist beispielsweise eine Abschir- mung zur Reduzierung einer durch die Störsignale bewirkten
Störstrahlung, und bildet vorzugsweise die Masse und das Be¬ zugspotential des Wechselrichters 8.
Zur Reduzierung und Filterung der Störsignale ist zwischen dem Energiespeicher 4 und dem Wechselrichter 8 eine Schaltungsanordnung 28 in den Gleichspannungskreis 20 geschaltet. Die Schaltungsanordnung 28 weist zwei in Reihe geschaltete Filterstufen 30 als Filterschaltung 32 zur Entstörung des Gleichspannungskreises 20 auf.
Die Filterstufen 30 weisen jeweils eine X-Y-Entstörkonden- sator-Baugruppe 34 sowie eine hierzu in Reihe geschaltete Filterdrossel-Baugruppe 36 auf. Beispielhaft sind in der FIG 1 lediglich eine X-Y-Entstörkondensator-Baugruppe 34 und eine Filterdrossel-Baugruppe 36 mit Bezugszeichen versehen.
Die X-Y-Entstörkondensator-Baugruppe 34 umfasst einen zwi- sehen den Pluspfad 22 und den Minuspfad 24 als Parallelkondensator geschalteten X-Kondensator 38 sowie zwei Y-Kondensatoren 40, welche den Pluspfad 22 beziehungsweise den Minus¬ pfad 24 gegen das Gehäusepotential 26 koppeln. Die Filterdrossel-Baugruppe 36 weist eine den Pluspfad 22 und den Minuspfad 24 umgreifende Ringkerndrossel 42 sowie zwei Speicherdrosseln 44a und 44b auf, welche jeweils den Pluspfad 22 beziehungsweise den Minuspfad 24 einzeln umgreifen. Durch die Ringkerndrossel 42 werden Gleichtaktstörungen
(FIG 2), das bedeutet Störsignale welche sich in den paralle¬ len Pluspfad 22 und Minuspfad 24 in die gleiche Richtung aus¬ breiten, gefiltert. Die nachgeschalteten Speicherdrosseln 44a und 44b filtern hierbei Gegentaktstörungen (FIG 3) , bei wel- chen sich die Störsignale des Pluspfads 22 und des Minuspfads 24 in unterschiedliche Richtungen ausbreiten.
Wie insbesondere in den Figuren 2 bis 5 erkenntlich, sind die Speicherdrosseln 44a und 44b vorzugsweise einstückig in die Ringkerndrossel 42 integriert. Die Filterdrossel-Baugruppe 36 ist somit im Wesentlichen durch einen gemeinsamen Drosselkern 46 gebildet, durch welchen der Pluspfad 22 und der Minuspfad 24 abschnittsweise hindurchgeführt sind. Der Drosselkern 46 ist aus einem hochpermeablen magnetischen Material, insbesondere einem Ferrit, hergestellt. Der Dros¬ selkern 46 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein EE-Kern ausgeführt und weist als solcher zwei E-Kerne als zusammen¬ fügbare Drosselkernhälften 48 und 50 auf. Wie in den Figu- ren 2 bis 4 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, sind der Pluspfad 22 und der Minuspfad 24 hierbei im Fügezustand jeweils in den zwischen den äußeren E-Schenkeln 48a, 48b, 50a, 50b und dem mittleren E-Schenkeln 48c, 50c gebildeten Zwischenräumen 52 geführt.
Im Fügezustand bilden die äußeren E-Schenkel 48a, 48b, 50a, 50b mit den vertikalen E-Schenkeln 48d und 50d ein umfangs- seitig geschlossenes (Ring-) Joch als Ringkerndrossel 42.
Die mittleren E-Schenkel 48c und 50c bilden ein zwischen den Pfaden 22 und 24 angeordnetes Mitteljoch. Die mittleren
E-Schenkel 48c und 50c sind hierbei gegenüber den äußeren E-Schenkeln E-Schenkel 48a und 48b beziehungsweise 50a und 50b verkürzt ausgeführt, sodass zwischen den mittleren
E-Schenkeln 48c und 50c ein Spaltbereich 54 als Luftspalt freigestellt ist.
Die Speicherdrosseln 44a ist durch die E-Schenkel 48a, 48c, 50a, 50c sowie abschnittsweise durch die E-Schenkel 48d und 50d gebildet. Die Speicherdrosseln 44b ist entsprechend durch die E-Schenkel 48b, 48c, 50b, 50c sowie abschnittsweise durch die E-Schenkel 48d und 50d gebildet.
Im Falle einer Gleichtaktstörung verlaufen die durch die Störsignale erzeugten Magnetfelder (Störfelder, Störstrahlung) - wie in FIG 2 strichliniert dargestellt - im Wesentli- chen konzentrisch um den Pluspfad 22 und den Minuspfad 24. Mit anderen Worten addieren sich die magnetischen Flüsse im Wesentlichen innerhalb des Ringjochs des Drosselkerns 46, wo¬ durch der Drosselkern 46 als Gleichtakt-Induktivität zur Gleichtaktfilterung wirkt.
Bei einer Gegentaktstörung (FIG 3) verlaufen die magnetischen Flüsse im Wesentlichen durch das Mitteljoch der E-Schenkel 48c und 50c. Dadurch wirkt der Drosselkern 46 als Gegentakt- Induktivität zur Gegentaktfilterung, wobei die Induktivität durch die lichte Weite des Spaltbereichs 54 vorgebbar ist.
Durch den Drosselkern 46 ist somit eine baumraumkompakte und bauteilreduzierte Filterdrossel-Baugruppe 30 realisiert, bei welcher eine kombinierte Gleichtakt-Gegentakt-Induktivität bereitgestellt ist.
In dem Ausführungsbeispiel der FIG 4 und der FIG 5 ist ein als Hall-Sensor ausgeführtes Sensorelement 56 in dem Spaltbe¬ reich 54 zwischen den E-Schenkeln 48c und 50c angeordnet. Hierbei wird der Umstand ausgenutzt, dass das im Spaltbereich 54 erzeugte magnetische Feld proportional zu dem Strom, das bedeutet den Störsignalen, in dem Pluspfad 22 und dem Minus- pfad 24 ist. Dadurch ist es auf einfache Art und Weise mög¬ lich die Stromstärke der Störsignale zu bestimmen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Aus¬ führungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Va- rianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Er- findung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung (28) zum versorgerseitigen Anschluss an einen Wechselrichter (8) einer elektrischen Maschine (2), mit einer Filterschaltung (32) mit mindestens einer Filterstufe (30),
- wobei die Filterstufe (30) eine zwischen einem Pluspfad
(22) und einem Minuspfad (24) des Wechselrichters (8) ver¬ schaltete X-Y-Entstörkondensator-Baugruppe (34) und eine hierzu in Reihe geschaltete Filterdrossel-Baugruppe (36) aufweist, und
- wobei die Filterdrossel-Baugruppe (36) mit einer den Plus¬ pfad (22) und den Minuspfad (24) umgreifenden Ringkerndros¬ sel (42) zur Gleichtaktfilterung sowie mit jeweils einer den Pluspfad (22) und den Minuspfad (24) umgreifenden Spei¬ cherdrossel (44a, 44b) zur Gegentaktfilterung ausgeführt ist .
2. Schaltungsanordnung (28) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherdrosseln (44a, 44b) einstückig unter Bildung eines gemeinsamen Drosselkerns (46) in die Ringkerndrossel (42) integriert sind.
3. Schaltungsanordnung (28) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Drosselkern (46) zwei im Wesentlichen E-förmige Drosselkernhälften (48, 50) aufweist .
4. Schaltungsanordnung (28) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die mittleren E-Schenkel (48c, 50c) der Drosselkernhälften (48, 50) des Drosselkerns (46) gegenüber den äußeren E-Schenkeln (48a, 48b, 50a, 50b) derart verkürzt sind, dass im zusammengesetzten Zustand des Drossel¬ kerns (46) zwischen den mittleren E-Schenkeln (48c, 50c) ein Spaltbereich (54) freigestellt ist.
5. Schaltungsanordnung (28) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (56) zur Er¬ fassung eines magnetischen Feldes, insbesondere eines Gegen- taktfeldes, in den Drosselkern (46), insbesondere in den Spaltbereich (54) zwischen den Drosselkernhälften (48, 50), integriert ist.
6. Schaltungsanordnung (28) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (56) als ein Hallsensor ausgeführt ist.
7. Schaltungsanordnung (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschaltung (32) zwei hintereinander geschaltete Filterstufen (30) aufweist.
8. Elektrische Maschine (2) mit einem Energiespeicher (4) und mit einem Wechselrichter (8) sowie mit einer zwischen den Energiespeicher (4) und den Wechselrichter (8) geschalteten Schaltungsanordnung (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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