Title:
Filterbauelement und Verwendung eines Filterbauelements
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Es wird ein Filterbauelement (20) zum Einsatz bei einer drahtlosen Energieübertragung beschrieben, aufweisend einen Resonanzkreis (L3C3X) aufweisend eine Induktivität (L3) und wenigstens einen Kondensator (C3), der mit der Induktivität (L3) in Reihe geschaltet ist, wobei der Resonanzkreis (L3C3X) für eine Dämpfung von Oberschwingungen im Langwellenband ausgebildet und angeordnet ist. Ferner wird die Verwendung eines Resonanzkreises (L3C3X) beschrieben.





Inventors:
Beck, Fabian (Rüttenen, CH)
Application Number:
DE102016103447A
Publication Date:
08/31/2017
Filing Date:
02/26/2016
Assignee:
EPCOS AG, 81669 (DE)
International Classes:
H03H7/01; H02J50/10
Foreign References:
77423182010-06-22
201100090572011-01-13
201600566402016-02-25
WO2015177657A12015-11-26
Attorney, Agent or Firm:
Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80639, München, DE
Claims:
1. Filterbauelement (20) zum Einsatz bei einer drahtlosen Energieübertragung, aufweisend einen Resonanzkreis (L3C3X) aufweisend eine Induktivität (L3) und wenigstens einen Kondensator (C3), der mit der Induktivität (L3) in Reihe geschaltet ist, wobei der Resonanzkreis (L3C3X) für eine Dämpfung von Oberschwingungen im Langwellenband ausgebildet und angeordnet ist.

2. Filterbauelement (20) nach Anspruch 1, aufweisend wenigstens eine LC Filterstufe (L1C1X, L2C2X), wobei der Resonanzkreis (L3C3X) der LC Filterstufe (L1C1X, L2C2X) nachgeschaltet ist.

3. Filterbauelement (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Filterbauelement (20) eine erste Filterstufe (L1C1X) aufweist, wobei die erste Filterstufe (L1C1X) einen oder eine Vielzahl (X) an ersten Kondensatoren (C1) aufweist und wobei das Filterbauelement (20) eine zweite Filterstufe (L2C2X) aufweist, wobei die zweite Filterstufe (L2C2C) einen oder eine Vielzahl (X) an zweiten Kondensatoren (C2) aufweist.

4. Filterbauelement (20) nach einem der vorangehenden, wobei der Resonanzkreis (L3C3X) eine Vielzahl (X) an Kondensatoren (C3) aufweist.

5. Filterbauelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Grundfrequenz der drahtlosen Energieübertragung zwischen 81 kHz und 90 KHz beträgt, und wobei der Resonanzkreis (L3C3X) zur Dämpfung der zweiten Oberschwingung ausgebildet und angeordnet ist.

6. Filterbauelement (20) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei ein äquivalenter Widerstand des Resonanzkreises (L3C3X) kleiner als oder gleich zu der Impedanz des wenigstens einen parallel geschalteten zweiten Kondensators (C2) ist.

7. Filterbauelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Resonanzkreis (L3C3X) einen Gütefaktor (Q) aufweist, und wobei Q ≤ 100.

8. Filterbauelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Induktivität (L3) so ausgebildet ist, dass die Resonanzfrequenz 170 kHz beträgt.

9. Filterbauelement (20) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der Wert der Kondensatoren (C3) des Resonanzkreises (L3C3X) gleich dem Wert des wenigstens einen zweiten Kondensators (C2) ist.

10. Verwendung eines Resonanzkreises (L3C3X) bei einer Frequenz von 170 kHz mit einem Gütefaktor (Q), wobei Q ≤ 100.

11. Verwendung nach Anspruch 10, wobei der Resonanzkreis (L3C3X) eine Induktivität (L3) und wenigstens einen Kondensator (C3) aufweist, wobei der wenigstens eine Kondensator (C3) mit der Induktivität (L3) in Reihe geschaltet ist.

12. Verwendung nach Anspruch 11, wobei der Resonanzkreis (L3C3X) eine Vielzahl (X) an Kondensatoren (C3) aufweist, und wobei die Kondensatoren (C3) mit der Induktivität (L3) in Reihe geschaltet sind.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filterbauelement, insbesondere einen EMV-Filter. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Filterbauelements.

Bei der drahtlosen Energieübertragung (wireless power transfer; WPT) wird elektrische Energie berührungslos von einem Objekt auf ein anderes übertragen. Die Frequenz der drahtlosen Energieübertragung liegt bei Anwendungen im Automobilbereich typischerweise zwischen 81 kHz und 90 kHz, insbesondere bei ca. 85 kHz. Nach der drahtlosen Energieübertragung muss das wechselnde Signal gleichgerichtet und anschließend an den Hochvolt(HV)-Bus weitergeleitet werden. Das Signal am HV-Bus muss dabei in einem begrenzten Oberschwingungsbereich aus der 85 kHz Gleichrichtung bzw. Konditionierung liegen und möglichst störungsfrei sein.

Standard EMV-Filterbauelemente vernachlässigen eine ausreichende Filterung im Langwellen (LW) Band. Filter, die auf typischen LC Abschnitten basieren, sind insbesondere zu groß dimensioniert und benötigen zu viele elektrische Komponenten.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Filterbauelement anzugeben, welche verbesserte Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Filterbauelement und eine Verwendung eines Filterbauelements gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Gemäß einem Aspekt wird ein Filterbauelement zum Einsatz bei einer drahtlosen Energieübertragung angegeben. Insbesondere findet das Filterbauelement bei der Signalfilterung in der drahtlosen Energieübertragung im Automobilbereich Anwendung.

Das Filterbauelement weist einen Resonanzkreis auf. Der Resonanzkreis weist eine Induktivität auf. Der Resonanzkreis weist wenigstens einen Kondensator auf. Der Kondensator ist mit der Induktivität in Reihe geschaltet. Der Resonanzkreis ist ein Saugkreis. Der Resonanzkreis ist für eine Dämpfung von Oberschwingungen im Langwellenband ausgebildet und angeordnet.

Die Induktivität des Resonanzkreises kann ein Element oder mehrere Elemente aufweisen. Die mehreren Elemente können parallel oder in Serie geschaltet sein. Der Kondensator bzw. die Kondensatoranordnung des Resonanzkreises kann ein Element oder mehrere Elemente aufweisen. Die mehreren Elemente können parallel oder in Serie geschaltet sein.

Das Filterbauelement kann ferner eine oder mehrere Filterstrukturen L, C, LC, CLC, LCLC etc. aufweisen. Das Filterbauelement kann beliebige Kombinationen der Filterstrukturen aufweisen. Beispielsweise kann das Filterbauelement eine oder mehrere LC Stufen, beispielsweise eine erste LC Filterstufe und eine zweite LC Filterstufe, aufweisen.

Auf Grund der Gleichrichtung des in das Filterbaulement eingespeisten Signals ist ein Vielfaches einer Grundfrequenz von beispielsweise 85 kHz im Rauschspektrum ersichtlich. Mit einem Standard EMV-Filterbauelement, mit dem eine Dämpfung von ungefähr 30 bis 40 dB erreicht werden kann, kann die zweite Oberschwingung bei 170 kHz, die in Langwellenradioband liegt, mit einer geringen Anzahl an elektrischen Größen / Komponenten nicht ausreichend gedämpft werden.

Durch das beschriebene Filterbauelement wird ein kompaktes und einfaches Bauelement angegeben, dass die zweite Oberschwingung wirksam unterdrückt. Insbesondere wird die Oberschwingung durch den Resonanzkreis auf einfache Art und Weise kurzgeschlossen. Eine große Anzahl an Kondensatoren, beispielsweise für eine erste und zweite LC Filterstufe, sowie eine große Induktivität der ersten und zweiten LC Filterstufe kann vermieden werden. Damit kann ein rauscharmes Signal mit Hilfe eines klein dimensionierten und einfachen Bauelements zur Verfügung gestellt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Filterbauelement eine erste LC Filterstufe auf. Das Filterbauelement, insbesondere die erste LC Filterstufe, weist einen oder eine Vielzahl an ersten Kondensatoren auf. Das Filterbauelement kann eine zweite LC Filterstufe aufweisen. Das Filterbauelement, insbesondere die zweite LC Filterstufe, weist einen oder eine Vielzahl an zweiten Kondensatoren auf.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt eine Grundfrequenz der drahtlosen Energieübertragung zwischen 81 kHz und 90 kHz. Vorzugsweise beträgt die Grundfrequenz 85 kHz. Der Resonanzkreis ist zur Dämpfung der zweiten Oberschwingung ausgebildet und angeordnet. Insbesondere ist der Resonanzkreis zur Dämpfung einer Frequenz von 170 kHz ausgebildet und eingerichtet. Vorzugsweise liegt die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises bei 170 kHz. Auf diese Weise kann die zweite Oberschwingung auf einfache Art und Weise wirksam gedämpft werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Resonanzkreis den LC Filterstufen nachgeschaltet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein äquivalenter Widerstand des Resonanzkreises kleiner als oder gleich zu der Impedanz des wenigstens einen zweiten Kondensators. Insbesondere weist der Resonanzkreis nur eine kleine Anzahl an Kondensatoren auf. Auf diese Weise kann die Impedanz bei 170 kHz reduziert werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Resonanzkreis einen Gütefaktor Q auf. Vorzugsweise ist Q ≤ 100, besonders bevorzugt ist Q ≤ 50. Durch den kleinen Gütefaktor kann eine Bandbreite von 162 kHz bis 180 kHz abgedeckt werden. Die zweite Oberschwingung kann wirksam unterdrückt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Induktivität so ausgebildet, dass die Resonanzfrequenz 170 kHz beträgt. Damit kann die zweite Oberschwingung zu einer Grundfrequenz von ungefähr 85 kHz wirksam unterdrückt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht der Wert der Kondensatoren des Resonanzkreises dem Wert der zweiten Kondensatoren. Somit wird sichergestellt, dass auch jenseits der zweiten Oberschwingung genügend Filterwirkung vorhanden ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines Resonanzkreises bei einer Frequenz von 170 kHz mit einem Gütefaktor Q beschrieben, wobei Q ≤ 100. Vorzugsweise weist der Resonanzkreis eine Induktivität und wenigstens einen Kondensator auf. Der Resonanzkreis kann eine Mehrzahl an Kondensatoren aufweisen. Der wenigstens eine Kondensator ist mit der Induktivität in Reihe geschaltet. Vorzugsweise entspricht der Resonanzkreis dem oben beschriebenen Resonanzkreis. Alle Eigenschaften, die in Zusammenhang mit dem Resonanzkreis beschrieben wurden, finden auch bei der Verwendung des Resonanzkreises Anwendung und umgekehrt.

Vorzugsweise wird der Resonanzkreis bei einer drahtlosen Energieübertragung verwendet. Insbesondere findet der Resonanzkreis bei der Signalfilterung in der drahtlosen Energieübertragung im Automobilbereich Anwendung. Vorzugsweise findet der Resonanzkreis in einem EMV-Filterbauelement, insbesondere dem oben beschriebenen Filterbauelement, Verwendung. Insbesondere findet der Resonanzkreis Verwendung bei der Filterung der 2. Oberschwingung zu einer Grundfrequenz von 85 kHz.

Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.

Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Es zeigen:

1 ein Schaltbild eines Filterbauelements zum Filtern einer Störspannung gemäß dem Stand der Technik,

2 ein Schaltbild eines Filterbauelements zum Filtern einer Störspannung,

3 ein Diagramm eines Spannungssignals, das mit einem Filterbauelement gemäß dem Stand der Technik gefiltert wurde,

4 ein Diagramm eines Spannungssignals, das mit einem erfindungsgemäßen Filterbauelement gefiltert wurde.

1 zeigt ein Schaltbild für ein Filterbauelement 10 nach dem Stand der Technik. Das Filterbauelement 10 ist ein EMV-Filter.

Das Filterbauelement 10 weist eine erste LC Filterstufe L1C1X auf. Die erste LC Filterstufe L1C1X weist eine erste Induktivität L1 und eine erste Kondensatoranordnung C1X auf. Die Kondensatoranordnung C1X weist wenigstens einen Kondensator C1, vorzugsweise jedoch eine Vielzahl X an Kondensatoren C1 auf.

Das Filterbauelement 10 weist ferner eine zweite LC Filterstufe L2C2X auf. Die zweite LC Filterstufe L2C2X ist mit der ersten LC Filterstufe L1C1X in Serie geschaltet. Die zweite LC Filterstufe L2C2X weist eine zweite Induktivität L2 und eine zweite Kondensatoranordnung C2X auf. Die Kondensatoranordnung C2X weist wenigstens einen Kondensator C2, vorzugsweise jedoch eine Vielzahl X an Kondensatoren C2 auf.

An Stelle der ersten und zweiten LC Filterstufe kann das Filterbauelement 20 aber auch eine Filterstruktur oder eine beliebige Anzahl von Filterstrukturen L, C, LC, CLC, LCLC aufweisen (nicht explizit dargestellt). Die Filterstrukturen können insbesondere beliebig kombiniert sein.

Ferner weist das Filterbauelement 10 noch Kondensatoren CY auf, die auch Störungen in Bezug auf die Masse hinreichend zusammen mit der ersten Induktivität L1 und der zweiten Induktivität L2 zu unterdrücken helfen.

Bei der in 1 gezeigten Anordnung trifft das gleichgerichtete Signal auf den Filter 10, bevor es an den HV-Bus weitergeleitet wird. Auf Grund der Gleichrichtung ist ein Vielfaches der Grundfrequenz von 85 kHz im Rauschspektrum zu sehen. Mit dem gezeigten Filterbauelement 10 nach dem Stand der Technik kann lediglich eine Dämpfung von etwa 20 dB erwirkt werden, was nicht ausreichend ist, um die zweite Oberschwingung (2·85 kHz = 170 kHz) wirksam zu unterdrücken.

2 zeigt ein Schaltbild für ein erfindungsgemäßes Filterbauelement 20 nach dem Stand der Technik. Das Filterbauelement 20 ist ein EMV-Filter.

Im Folgenden werden nur die Unterschiede im Vergleich zu dem oben beschriebenen Filterbauelement 10 aufgezeigt. Insbesondere weist das Filterbauelement 20 neben der ersten LC Filterstufe L1C1X und der zweiten LC Filterstufe L2C2X einen Resonanzkreis L3C3X auf.

Der Resonanzkreis L3C3X ist zu der ersten LC Filterstufe L1C1X bzw. zu der zweiten LC Filterstufe L2C2X jeweils parallel geschaltet. Der Resonanzkreis L3C3X weist eine Induktivität L3 auf. Der Resonanzkreis L3C3X weist eine Kondensatoranordnung C3X auf. Die Kondensatoranordnung C3X weist wenigstens einen Kondensator C3 auf. Selbstverständlich kann die Kondensatoranordnung C3X aber auch eine Vielzahl X an Kondensatoren C3, beispielsweise zwei, drei, fünf oder zehn Kondensatoren aufweisen. Induktivität L3 und Kondensatoranordnung C3X sind in Reihe geschaltet. Der Resonanzkreis L3C3X ist ein Saugkreis. Der Resonanzkreis weist eine Resonanzfrequenz von 170 kHz auf.

Zur Einstellung der Resonanzfrequenz von 170 kHz werden die Anzahl und die Eigenschaften der im Filterbauelement 20 vorgesehenen Kondensatoranordnungen C2X und C3X vorzugsweise so gewählt, dass C2X = C3X. Ferner wird L3 so gewählt, dass die Resonanzfrequenz 170 kHz beträgt.

Der Resonanzkreis L3C3X weist einen Gütefaktor Q auf. Der Gütefaktor Q ist ein Maß für die Dämpfung, die durch den Resonanzkreis L3C3X erreicht wird. Je größer der Gütefaktor Q, desto höher ist die Dämpfung und umgekehrt. Der Resonanzkreis L3C3X weist einen kleinen Gütefaktor auf. Der Gütefaktor Q muss klein sein, um eine Bandbreite von 162 kHz bis 180 kHz abzudecken. Insbesondere gilt Q ≤ 100.

Der Resonanzkreis L3C3X ist dazu ausgelegt einen großen Wertvon Kondensatoren zu vermeiden (z.B. 2,2 µF an Stelle von 6,8 µF), was erforderlich ist, um die Impedanz bei 170 kHz zu reduzieren. Ein äquivalenter Widerstand des parallelen Resonanzkreises L3C3X ist kleiner oder gleich der Impedanz der X parallelen zweiten Kondensatoren C2 der Kondensatoranordnung C2X.

Bei der in 2 gezeigten Anordnung wird das Spannungssignal zunächst von einem Gleichrichter 21 bearbeitet. Das gleichgerichtete Signal trifft anschließend auf das Filterbauelement 20, bevor es an den HV-Bus 22 weitergeleitet wird. Durch das Filterbauelement 20 kann eine gute Abschwächung der Oberschwingung / der 2. Harmonischen im Radio LW-Band erzielt werden. Insbesondere ist aus der 4 ersichtlich, dass die zweite Oberschwingung (170 kHz) durch das erfindungsgemäße Filterbauelement 20 um ca. 25 dB mehr abgeschwächt wird als durch das Filterbauelement 10 nach dem Stand der Technik (siehe 3).

Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen – soweit technisch sinnvoll – beliebig miteinander kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

10
Filterbauelement
20
Filterbauelement
21
Gleichrichter
22
HV-Bus
L1
Erste Induktivität
L2
Zweite Induktivität
L3
Induktivität
C1
Erster Kondensator
C2
Zweiter Kondensator
C3
Kondensator
CY
Kondensator
C1X
Erste Kondensatoranordnung
C2X
Zweite Kondensatoranordnung
C3X
Kondensatoranordnung
L1C1X
Erste Filterstufe
L2C2X
Zweite Filterstufe
L3C3X
Resonanzkreis