Innovative EMV-Filterlösungen für E-Fahrzeuge

20 INNOVATIVE FURNITURE CREATIONS | FURNITURE DESIGN (Juni 2019).

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Anonim

Immer komplexere Systeme erfordern Aufmerksamkeit für ausgestrahlte und geleitete Emissionen

Da Autos mit immer mehr elektronischen Systemen ausgestattet sind, steigt die Wahrscheinlichkeit von elektromagnetischen Störungen. Dies gilt insbesondere für Elektrofahrzeuge (xEVs) mit ihrer zusätzlichen Leistungselektronik für die Motorumrichter. Der Einsatz von EMV-Filtern bietet eine zuverlässige und gewichtssparende Möglichkeit, gegenseitige Störungen aus den dicht gepackten Quellen zu eliminieren.

Sowohl Hybrid- als auch Vollelektroantriebsfahrzeuge oder xEVs sind voll mit Elektronik, die sowohl bei der Menge als auch bei den technischen Anforderungen die der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor weit übertrifft. Denn neben den immer komplexer werdenden Systemen für Sicherheit, Komfort und Kommunikation sind es die elektrischen Antriebssysteme - die Hochvoltbatterie, der Wechselrichter und mindestens ein Elektromotor -, die den elektronischen Systemen den entscheidenden Schritt voraus sind. Folglich besteht die oberste Priorität bei der Entwicklung solcher Fahrzeuge darin, sicherzustellen, dass die einzelnen Systeme, die in sehr beschränkten Räumen untergebracht sind, keine gegenseitige Interferenz verursachen. Es ist auch wichtig, dass keine Störungen Systeme außerhalb des Fahrzeugs beeinflussen. Diese EMV-Anforderungen sind durch internationale Normen wie CISPR 25 oder die EU-Richtlinie ECE-R10 geregelt.

Abb. 1: Ein Batterie- und Wechselrichtersystem mit Kabeln zwischen.

EMV-Probleme durch abgeschirmte Kabel

Die Wechselrichter arbeiten mit einer Pulsweitenmodulationssteuerung des Motors. Die steilen Flanken der Impulse verursachen erhebliche EMV-Probleme sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite der Wechselrichter, die sich sowohl als abgestrahlte als auch als leitungsgeführte Emissionen äußern. Um diese auf ein Minimum zu reduzieren, basieren die meisten herkömmlichen Designs bisher auf einer vollständigen Verkapselung oder Abschirmung.

Um Platz zu sparen und die Gewichtsverteilung zu verbessern, sind die einzelnen Antriebskomponenten im Fahrzeug verteilt. Die Batterie ist in der Regel auf der Rückseite und der Wechselrichter auf der Vorderseite untergebracht. Der Motor oder die Motoren sind an den Achsen oder manchmal direkt an den Rädern installiert. Der Anschluss des Wechselrichters an die Batterie erfordert ein langes, geschirmtes Kabel, das ein erhebliches potenzielles Risiko für die EMV birgt, da zum einen hohe Schirmströme erzeugt werden können, die zu Emissionen im Hochfrequenzbereich beitragen. Auf der anderen Seite können Spannungsspitzen von ausreichender Größe sogar den Wechselrichter oder die Batterie beschädigen. Außerdem kann nicht ausgeschlossen werden, dass Störungen in das Niederspannungssystem des Fahrzeugs eingekoppelt werden.

Die elektrische und mechanische Verbindung der Kabelabschirmung mit der Abschirmung von Batterie und Wechselrichter ist ein weiteres Problem. Die Impedanz dieser Verbindung muss extrem niedrig sein, um eine ausreichende Abschirmung zu gewährleisten. Aber die Vibrationen und Stöße, die den Fahrzeugen innewohnen, erzeugen Kräfte, die die Abschirmungsverbindung schwächen, was zu einem allmählichen Anstieg der Impedanz führt. Alternsprozesse, die durch Oxidation oder sogar Korrosion verursacht werden, sind ebenfalls nicht unbedeutend.

Die abgestrahlten und leitungsgebundenen Emissionen eines Systems mit abgeschirmtem Kabel zwischen Batterie und Wechselrichter sind in Abbildung 2 dargestellt.

Abb. 2: Die Verwendung eines abgeschirmten Kabels zwischen Batterie und Wechselrichter reduziert die Strahlungsemissionen (oben), die leitungsgebundenen Emissionen werden nicht reduziert (siehe unten).

Deutliche Verbesserung der EMV durch Verwendung von Filtern

Ein überlegener Ansatz, um den wachsenden Anforderungen an das EMV-Design gerecht zu werden, ist der Einsatz von Hochspannungs-DC-Filtern. Um für Elektrofahrzeuge geeignet zu sein, müssen sie für eine maximale Spannung von 600 V DC ausgelegt sein, was den typischen Spannungen von Hochspannungsbatterien entspricht. Um die Filterung von Antrieben mit Leistungen von weit über 100 kW zu ermöglichen, sollten ihre aktuellen Fähigkeiten den Bereich bis etwa 150 A DC oder 350 A DC abdecken. Die EMV-Filter müssen einen sehr geringen Gleichstromwiderstand bieten, um signifikante Verluste zu vermeiden.

Wie in Abbildung 3 gezeigt, konnte die verbesserte EMV-Leistung bestätigt werden, wenn ein EMV-Filter im Testaufbau verwendet wurde.

Abb. 3: Ein EMV-Filter zwischen Batterie und Wechselrichter führt insbesondere zu einer drastischen Reduzierung der leitungsgebundenen Störungen.

Trotz Verwendung eines ungeschirmten Kabels konnten insbesondere die leitungsgebundenen Störungen um bis zu 70 dB oder einen Faktor von 3000 reduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz der EMV-Filter eine erhebliche Reduzierung der konventionellen EMV-Maßnahmen in den einzelnen Systemkomponenten. Der Wegfall geschirmter Kabel spart beispielsweise Gewicht und Platz.

Zweileiter-Hochspannungs-DC-Filter für EMC sind bei einer Reihe von Herstellern erhältlich. Werfen Sie einen Blick auf //de.tdk.eu/tdk-de/530186/products/product-catalog/emc-components für EMV-Komponenten von TDK und Epcos.

By: CHRISTOPH JEHLE, Leiter Produktkommunikation, EPCOS, TDK Company, //de.tdk.eu