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Title:
COMMON-MODE/DIFFERENTIAL-MODE THROTTLE FOR AN ELECTRICALLY DRIVEABLE MOTOR VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/115207
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a common-mode/differential-mode throttle (1) for an electrically driveable motor vehicle, with at least a core (4) having two limbs (6, 8) oriented so as to be parallel and spaced from one another, with a common-mode induction coil (L1) and with a differential-mode induction coil (L2), wherein the two induction coils (L1, L2) are each wound around one of the two limbs (6, 8). It is provided for the distance between mutually facing winding sections of the two induction coils (L1, L2) to correspond to the distance between the winding sections at least one of the induction coils (L1, L2) on either side of the respective limb (6, 8).

Inventors:
GUDINO CARRIZALES, Emiliano (Im Sonnenhof 3, Ludwigsburg, 71638, DE)
Application Number:
EP2018/082384
Publication Date:
June 20, 2019
Filing Date:
November 23, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
H01F3/12
Foreign References:
CN105932896A2016-09-07
EP2814151A22014-12-17
EP2814151A22014-12-17
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Claims:
Ansprüche

1. Gleichtakt-Gegentakt-Drossel (1) für ein elektrisch betreibbares

Kraftfahrzeug, mit einem zumindest zwei parallel und beabstandet

zueinander ausgerichteten Schenkeln (6, 8) aufweisenden Kern (4), mit einer Gleichtakt-Induktionsspule (LI) und mit einer Gegentakt-Induktionsspule (L2), wobei die beiden Induktionsspulen (LI, L2) jeweils um einen der zwei Schenkel (6, 8) gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen einander zugewandten Wicklungsabschnitten der beiden

Induktionsspulen (LI, L2) dem Abstand der Wicklungsabschnitte zumindest einer der Induktionsspulen (LI, L2) beidseits des jeweiligen Schenkels (6, 8) zueinander entspricht.

2. Drossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (4)

einen mittleren Schenkel (7) aufweist, wobei der mittlere Schenkel (7) zwischen den zwei Schenkeln (6, 8) angeordnet und beabstandet und parallel zu diesen ausgerichtet ist.

3. Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die drei Schenkel (6, 7, 8) die gleiche Breite (bs) aufweisen.

4. Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die drei Schenkel (6, 7, 8) an einem Ende durch einen ersten Stammschenkel (10) miteinander verbunden sind.

5. Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der Kern (4) El-förmig ausgebildet ist.

6. Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der Kern (4) U I-förmig, EE-förmig oder U U-förmig ausgebildet ist.

7. Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der mittlere Schenkel (7) beabstandet zu dem zweiten Stammschenkel (10) endet, so dass zwischen dem mittleren Schenkel (7) und dem zweiten Stammschenkel (10) ein Luftspalt (/ ) besteht.

8. Transformator mit einer Schaltungsanordnung, die zwischen einer

Hochspannungsseite und einer Niederspannungsseite angeordnet ist, wobei auf mindestens einer der Seiten des Transformators eine Gleichtakt- Gegentakt- Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet oder angeschlossen ist.

Description:
Beschreibung

Gleichtakt-Gegentakt-Drossel für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Gleichtakt-Gegentakt-Drossel für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einem zumindest zwei parallel und beabstandet zueinander ausgerichtete Schenkel aufweisenden Kern, mit einer Gleichtakt- Induktionsspule und mit einer Gegentakt-Induktionsspule, wobei die beiden Induktionsspulen um jeweils einen der zwei Schenkel gewickelt sind.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Transformator mit einer

Schaltungsanordnung, die zwischen einer Hochspannungsseite und einer Niederspannungsseite des Transformators angeordnet ist, wobei auf mindestens einer der Seiten des Transformators eine Gleichtakt-Gegentakt-Drossel angeordnet beziehungsweise angeschlossen ist.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Gleichtakt-Gegentakt-Drosseln der Eingangs genannten Art bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die Patentschrift EP 2 814 151 A2 einen Wechselrichter, welcher eine integrierte Gleichtakt- Gegentakt-Drossel aufweist, die eine Gleichtakt-Induktionsspule und eine Gegentakt-Induktionsspule aufweist. Die beiden Induktionsspulen sind dabei auf einem gemeinsamen Drossel-Kern aufgewickelt.

Bei Kraftfahrzeugen, die elektrisch antreibbar sind, also insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeugen, wird Energie von einem Hochvoltnetz beziehungsweise aus einer Hochvoltbatterie in ein Niedervoltnetz, das üblicherweise eine

Maximalspannung von 12 Volt aufweist, übertragen. Häufig wird dies mit einem einphasigen Gleichspannungswandler realisiert. Ein einphasiger Transformator übersetzt dabei die Primärspannung (Hochvoltspannung) auf die Sekundärseite (Niederspannung) und sorgt für die notwendige galvanische Trennung zwischen den beiden Spannungsnetzen, um unter anderem den Personenschutz zu gewährleisten. Die sekundärseitige Wechselspannung wird dann mittels

Gleichrichterdioden beziehungsweise mittels eines Synchrongleichrichters gleichgerichtet. Um die Welligkeit der Ausgangsspannung zu reduzieren, ist es außerdem bekannt, eine Glättungsdrossel und einen Glättungskondensator einzusetzen.

Weil der Transformator nur Wechselspannung überträgt, muss zuerst die Hochvolt-Gleichspannung in eine Wechselspannung beziehungsweise in eine zeitlich veränderliche Spannung umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernehmen üblicherweise Hochspannungsschalter, insbesondere

Halbleitungsschalter. Sie werden derart angesteuert, dass während der

Leitphase die gesamte Eingangsspannung an der Primärwicklung des

Transformators anliegt und eine sekundäre Spannung induziert. Nach der Leitphase werden die Schalter ausgeschaltet und die Spannung an der

Primärwicklung beträgt 0 Volt. Nach einer Totzeit werden zwei weitere Schalter derart angesteuert, dass nun die gesamte Eingangsspannung an der

Primärinduktivität aber mit umgekehrter Polarität anliegt. Damit wird der

Transformator mit einer Wechselspannung betrieben. Der Transformator kann auch mit einer pulsierenden Gleichspannung betrieben werden. In diesem Fall muss dafür gesorgt werden, dass er entmagnetisiert wird und die Sättigung des magnetischen Materials nicht eintritt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen werden die Schalter sehr schnell vom gesperrten in den leitenden Zustand gebracht und umgekehrt. Durch das schnelle Schalten werden die Schaltverluste der Schalter minimiert, die Geschwindigkeit der Spannungs- und der

Stromänderung erhöht. Diese schnellere Spannungs- und Stromänderung bringen in Kombination mit parasitären, elektrischen Bauelementen der

Leiterplatte, der Bauelemente und vom mechanischen Aufbau höhere

leistungsgebundene Störungen und elektromagnetische Störaussendungen mit sich. Der Maximalwert der leistungsgebundenen Störungen, die vom

Gleichspannungswandler in das Hochspannungsnetz und das

Niederspannungsnetz eingespeist werden, sind genormt und dürfen nicht überschritten werden. Durch den Einsatz geeigneter Filter zur

elektromagnetischen Verträglichkeit (EMF-Filter) können diese Störungen so weit reduziert werden, dass das Gerät alle normativen Anforderungen erfüllt. Die leitungsgebundenen Störungen werden in Gleichtakt- und Gegentaktstörungen unterteilt. Eine Gleichtakt- oder Common-Mode-Induktivität (CMC) oder

Gleichtakt-Induktionsspule reduziert die Gleichtaktstörungen und eine

Differenzial-Mode-Induktivität (DMC) oder Gegentakt-Induktionsspule reduziert die Gegentaktstörungen. Normalerweise benötigen die EMF-Richtfilter beide Induktivitätstypen, da beide Störungsarten gemeinsam auftreten. In der Praxis werden beide Induktivitäten häufig als zwei physikalische getrennte,

unterschiedliche Bauelemente eingesetzt. Aus der oben genannten Druckschrift ist es jedoch bereits bekannt, die beiden Induktivitäten in einem Bauelement zu vereinen.

Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Gleichtakt-Gegentakt-Drossel hat den Vorteil, dass die

Induktivitäten genau einstellbar sind, wobei die Induktionsspulen an dem gleichen Drossel- Kern angeordnet sind und wirken, ohne dass die elektrischen beziehungsweise magnetischen Eigenschaften der Gleichtakt-Induktionsspule und der Gegentakt-Induktionsspule beeinträchtigt werden. Durch die Integration beider Induktionsspulen wird der Bauraum verringert und damit die Drossel und insbesondere der die Drossel aufweisende Transformator kompakt ausgebildet. Darüber hinaus werden die Herstellungskosten gesenkt und die

Fertigungsschritte reduziert. Durch das genaue Anpassen der beiden

Induktivitäten verbessern sich ausserdem die E MV- Eigenschaften der Drossel und damit die der die Drossel aufweisenden Schaltung. Erfindungsmäßig ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen den einander zugewandten

Wicklungsabschnitten der beiden Induktionsspulen dem Abstand der

Wicklungsabschnitte zumindest einer der Induktionsspulen beidseits des jeweiligen Schenkels zueinander entspricht. Die erfindungsgemäße Drossel weist somit einen bestimmten Abstand der beiden Spulen zueinander an ihren einander zugewandten Wicklungsabschnitten auf. Dabei entspricht dieser Abstand dem Abstand, der zwischen den voneinander abgewandten

Wicklungsabschnitten derselben Induktionsspule beidseits des zugeordneten Schenkels und damit dem Innendurchmesser der jeweiligen Induktionsspule. Durch die vorteilhafte Wahl des Abstands ist es möglich, die Induktivitäten beider Induktionsspulen besonders genau einzustellen und damit einen optimierten Betrieb der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel beziehungsweise der die Drossel aufweisenden Schaltung zu gewährleisten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kern einen mittleren Schenkel aufweist, der zwischen den beiden bereits genannten Schenkeln angeordnet ist. Die drei Schenkel liegen bevorzugt in einer Ebene nebeneinander, wobei auch der dritte Schenkel insbesondere parallel beabstandet zu den beiden anderen Schenkeln ausgerichtet/angeordnet ist. Der dritte Schenkel ragt somit zwischen den beiden Induktionsspulen zumindest abschnittsweise hindurch. Durch den dritten Schenkel wird die

Magnetfeldführung und damit die Wirkung der Drossel verbessert.

Besonders bevorzugt weisen die drei Schenkel die gleiche Breite

beziehungsweise den gleichen Querschnitt auf. Hierdurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel. Dadurch, dass auch der mittlere Schenkel so breit ist wie die außen liegenden Schenkel, wird automatisch der zuvor genannte vorteilhafte Abstand zwischen den

Induktionsspulen zueinander erreicht. Während es bisher üblich ist, dass der mittlere Schenkel bei vergleichbaren Drosseln mindestens doppelt so breit ist, wie die beiden außen liegenden Schenkel, ist vorliegend der mittlere Schenkel schmaler, nämlich genauso breit ausgebildet wie die außen liegenden Schenkel, wodurch sich die vorteilhafte Einstellung der Induktivitäten ergibt.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die drei Schenkel an einem Ende durch einen ersten Stammschenkel miteinander verbunden sind. Hierdurch ergibt sich ein E-förmig ausgebildeter Kernteil mit einem vorteilhaften Magnetfluss.

Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest die außen liegenden Schenkel an einem anderen Ende durch einen zweiten Stammschenkel, der insbesondere einen I-förmigen Kernteil bildet, miteinander verbunden sind. Dadurch wird zwischen den beiden Stammschenkeln ein Freiraum zur Verfügung gestellt, welcher zur Aufnahme der einander zugewandten Wirkungsabschnitte der Induktionsspulen dient. In diesen Freiraum ragt außerdem auch der dritte Schenkel beziehungsweise der mittlere Schenkel hinein, der sich beispielsweise bis zu dem zweiten Stammschenkel erstreckt, so dass der Freiraum durch den mittleren Schenkel in zwei Freiräume unterteilt wird. Der Kern ist insgesamt durch den zweiten Stammschenkel dabei insbesondere El-förmig ausgebildet.

Alternativ ist der Kern bevorzugt U I-förmig, EE-förmig oder U U-förmig

ausgebildet, je nachdem, ob der Kern drei oder nur zwei Schenkel aufweist. Es ergeben sich hierdurch weitere Anwendungsgebiete für die vorteilhafte Drossel.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform endet der mittlere Schenkel beabstandet zu dem zweiten Stammschenkel, so dass zwischen dem mittleren Schenkel und dem zweiten Stammschenkel ein Luftspalt besteht. Die Größe des Luftspalts bestimmt die Größe der Induktivitäten. Durch ein Verkürzen des mittleren Schenkels ist somit eine Anpassung der Induktivitäten auf einfache Art und Weise an unterschiedliche Anwendungsfälle möglich. In einem Extremfall erstreckt sich der mittlere Schenkel bis zu dem zweiten Stammschenkel, in einem anderen Extremfall ist die Schenkellänge des mittleren Schenkels gleich Null, so dass der E-förmige Kern zu einem U-förmigen Kern wird. Ihren maximalen Wert erhalten die Induktivitäten, wenn der Luftspalt durch den mittleren Schenkel vollkommen bis zu dem zweiten Stammschenkel überbrückt ist, die Größe des Luftspalts also gleich Null ist. Ihren Minimalwert erhalten die Induktivitäten dann, wenn der Luftspalt zwischen dem mittleren Schenkel und dem zweiten Stammschenkel maximal ist. Die Streuinduktivität hängt in letzterem Fall hauptsächlich von der geometrischen Anordnung der Wicklungen zueinander ab.

Der erfindungsgemäße Wechselrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Gleichtakt-Gegentakt-Drossel aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild einer integrierten Gleichtakt-Gegentakt- Drossel und Figuren 2A und B ein Ausführungsbeispiel der Gleichtakt-Drossel.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Schaltbild einer Gleichtakt- Gegentakt- Drossel 1, die in einem Bauteil realisiert ist. Die Drossel 1 weist Induktionsspulen LI, L2 und LDM auf, wobei die Induktionsspulen LI und LDM parallel zu der Induktionsspule L2 geschaltet sind. Durch einen dem

Hochspannungsnetz zugeordneten Kondensator CX1 fällt eine erste Spannung ab und durch zwei weitere Kondensatoren CY, zwischen denen ein

Masseanschluss liegt, fällt eine Spannung an der Niedervoltseite ab. Die Drossel ist dabei insbesondere an eine Schaltung eines hier nicht näher dargestellten Transformators angeschlossen. Die Spulen LI und L2 und LDM bilden eine Gleichtakt- Drossel CMC und die Spulen LI und LDM eine Gegentakt- Drossel DMC.

Figuren 2A und 2B zeigen ein Ausführungsbeispiel der Drossel 1 in einer vereinfachten Darstellung, wobei Figur 2A Bemaßungen zeigt und Figur 2B magnetische Streufelder der Drossel 1.

Gezeigt ist dabei der Aufbau der Drossel 1 in Planartechnik. Dieser kann auch an mit Drähten gewickelte Induktivitäten angewendet werden. In der Abbildung ist eine El- Kernform eines Kerns 3 der Drossel 1 gezeigt. Der Kern 3 weist somit ein E-förmiges Kernteil 4 sowie ein I-förmiges Kernteil 5 auf. Das E-förmige Kernteil 4 weist drei Schenkel 6, 7 und 8 auf, die parallel und beabstandet zueinander ausgerichtet sind und von einem Stammschenkel 9 ausgehen, so dass sich die E-Form ergibt. Der I-förmige Kernteil 5 liegt dem E-förmigen Kernteil 4 gegenüber, so dass der I-förmige Kernteil 5 parallel zu dem Stammschenkel 4 liegt und selbst einen zweiten Stammschenkel 10 bildet, der stirnseitig auf den außenliegenden Schenkeln 6 und 8 aufliegt, so dass ein Berührungskontakt zwischen den Schenkeln 8, 9 und dem Stammschenkel 10 beziehungsweise dem I-förmigen Kernteil 5 besteht.

Der zwischen den Schenkeln 6 und 8 liegende mittlere Schenkel 7 ist verkürzt ausgebildet, so dass sich ein Luftspalt / ergibt. Der Luftspalt / ist dabei gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kleiner als die Länge IF der außenliegenden Schenkel 6, 8. Um den Schenkel 6 ist die Spule LI als Gegentakt-Induktionsspule gewickelt und um den Schenkel 8 die Spule L2 als Gleichtakt-Induktionsspule. Die Schenkel 6, 7 und 8 weisen jeweils die gleiche Breite bs, so dass der Abstand der einander zugewandten Wicklungsabschnitte der Spulen LI und L2 an ihren zueinander zugewandten Seiten in dem E- Kernteil 9 genauso groß ist, wie der

Innendurchmesser der Spulen an dem jeweiligen Schenkel 6, 8.

Im Betrieb ergeben sich dabei die in Figur 2B gezeigten Felder beziehungsweise magnetischen Flüsse. Der Hauptfluss fließt durch die Wicklungen, so dass sich ein Hauptfeld H ergibt. Zusätzlich dazu hat jede Induktionswicklung LI, L2 ein eigenes Streufeld L1S beziehungsweise L2S, das die andere Induktionswicklung jeweils nicht durchfließt. Das Hauptfeld H wird von der Hauptinduktivität Lh und die Streufelder von den jeweiligen Streuinduktivitäten L a erzeugt.

Durch die gezielte Einstellung des Luftspalts / wird eine Kopplung k zwischen den Wicklungen der Induktionsspulen LI und L2 eingestellt. Durch die Änderung von k ändern sich auch die Induktivitäten LDM und LCM. LDM und Lh erreichen ihren maximalen Wert bei einem Luftspalt von lag=0 mm. Umgekehrt haben die Induktivitäten LDM und Lh ihren minimalen Wert bei einem Luftspalt von lag=IF. In diesem Fall verschwindet der Mittelschenkel 7 vollständig und der bisherige I- Kernteil 4 wird zu einem U-Kernteil beziehungsweise zu einem U-förmigen Kern. Die Streuinduktivität hängt in diesem Fall hauptsächlich von der geometrischen Anordnung der Wicklungen beziehungsweise der Induktionsspulen LI, L2 zueinander ab. Je nach Kerngeometrie und Material ändert sich der Wert von Lh um circa 20% vom Minimalwert über die gesamte Längenänderung des

Luftspalts lag. Im Gegensatz dazu ändert sich der Wert der Induktivität LDM um circa 8000% bezogen auf ihren minimalen Wert. Unter Betrachtung dieser sehr unterschiedlichen Werteänderungen der Induktivitäten kann man von einem relativ konstanten Wert der Gleichtakt- Drossel bei einem höchsteinstellbaren Wert der Gegentakt- Drossel ausgehen. Mit dieser Anordnung werden Werte von LDM von wenigen mH bis zu > 100 mH erreicht. Für die Dimensionierung der

Induktivität muss die Sättigung des magnetischen Materials noch berücksichtigt werden. Die Drossel 1 kann auch mit zwei E- Kernen oder zwei U- Kernen oder einer Ul- Kernkombination realisiert werden. Die Windungen der Induktionsspulen LI und L2 sind nicht wie gewohnt um den Mittelschenkel 7 des Kerns gewickelt, sie sind jeweils um die äußeren Schenkel 6, 8 gewickelt. Das erhöht die Streuinduktivität L a der Gleichtakt-Drossel. In diesem Aufbau gilt L a =LDM und die

Hauptinduktivität Lh entspricht der Gleichtakt-Induktivität LCM, es gilt also Lh=LCM.

Ein weiterer Vorteil tritt bei Hochvoltanwendungen zutage, da beide Wicklungen beziehungsweise Induktionsspulen LI, L2 nicht übereinander gestapelt sind, sondern weit nebeneinander platziert sind. Damit können die

Isolationsanforderungen ohne Schwierigkeiten erfüllt werden. Da die Wicklungen nicht übereinander gebaut werden, können außerdem alle Kupferlagen für jede Wicklung genutzt werden. Dies reduziert den ohmschen Widerstand der Wicklungen, was die Kupferverluste der Gleichtakt- Drossel minimiert.

Desweiteren wird mit dem Aufbau ein erhöhter Freiheitsgrad bezogen auf die Gestaltung der einzelnen Wicklungen erzielt, da diese nicht übereinander gestapelt werden müssen. Weil die drei Schenkel 6, 7 und 8 die gleiche Breite bs aufweisen, ist eine hochgenaue Einstellung der Induktivitäten möglich.