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EMV

Sollte man Systeme in Elektroautos schirmen oder filtern?

| Redakteur: Thomas Kuther

Die EMV in Elektrofahrzeugen sicherzustellen ist eine extreme Herausforderung. Betrachtungen am Beispiel eines offenen E-Fahrzeugmodells sollen zeigen was besser ist: Schirmen oder Filtern.

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Offene E-Mobilitäts-Kfz-Nachbildung für funktionelle und EMV-Tests der IMG Nordhausen
Offene E-Mobilitäts-Kfz-Nachbildung für funktionelle und EMV-Tests der IMG Nordhausen
(Bild: IMG Nordhausen)

Elektromobilität ist eine der größten technischen Herausforderungen unserer Tage. Denn immer mehr Elektronik und Mikroprozessortechnik rückt in einem E-Fahrzeug immer enger zusammen. Und so stören und beeinflussen sich diese Systeme immer häufiger gegenseitig – bis hin zum Funktionsausfall. In solchen Fällen versucht man meinst zunächst, die einzelnen Geräte und Systeme durch entsprechendes Schaltungs- und Layout-Design abstrahl- und einstrahlfest zu machen. Oft reicht aber die so erzielte Störfestigkeit nicht aus, sodass darüber hinaus auch geschirmte Gehäuse erforderlich sind.

Die Leistungselektronik im E-Fahrzeug stört extrem

Bild 1: Grobaufbau eines Elektrofahrzeuges; es fehlen viele Elektronikkomponenten, Steuerungen, Kommunikationselemente und Leitungen.
Bild 1: Grobaufbau eines Elektrofahrzeuges; es fehlen viele Elektronikkomponenten, Steuerungen, Kommunikationselemente und Leitungen.
(Bild: Daimler AG)

Neben den technischen Aspekten müssen auch die gesetzlichen Anforderungen in Sachen EMV betrachtet werden. Auch wenn die Normung noch am Anfang steht und es auch keine gesetzlichen Vorgaben gibt, so ist als Normungsänderung die Richtlinie UN ECE R 10 normativ verabschiedet. Diese Richtlinienänderung beachtet in Zukunft den Effekt der Leitungsimpedanz und Spannungsverhältnisse einer Batterieladestation.

Sehr vereinfacht kann man sich ein E-Fahrzeug nach dem in Bild 1 gezeigten Modell nach Kreyenberg verdeutlichen. Bei dieser groben Darstellung eines Elektrofahrzeuges sind viele Elektronikkomponenten, Steuerungen, Kommunikationselemente und Leitungen nicht dargestellt. An der IMG Nordhausen wurde nach auf dieser Basis eine detaillierte E-Fahrzeugnachbildung aufgebaut, wie sie in Bild 2 zu sehen ist.

Bild 2: Offene E-Mobilitäts-Kfz-Nachbildung für funktionelle und EMV-Tests der IMG Nordhausen
Bild 2: Offene E-Mobilitäts-Kfz-Nachbildung für funktionelle und EMV-Tests der IMG Nordhausen
(Bild: IMG Nordhausen)

Diese ist offen für den Einbau verschiedenster E-Komponenten der unterschiedlichsten Fahrzeughersteller für funktionelle und EMV-Tests. In der Erprobungsphase von Fahrzeugkomponenten ist das ein Vorteil gegenüber Testfahrzeugen, da sich Komponenten frei integrieren lassen und nicht zuerst an die mechanischen und elektrischen Bedingungen des Testfahrzeuges angepasst werden müssen. In der aktuell laufenden ersten Testserie der Fahrzeugnachbildung wird die Integration neuer Ladetechnologien einerseits und die Integration innovativer Funkentstörfilter andererseits erprobt.

HV-Leitungen im E-Fahrzeug müssen geschirmt sein

Ein viel diskutiertes Manko im Aufbau des Hochvoltbordnetzes und des Antriebsstrangs in Elektro- und Hybridfahrzeugen ist die Notwendigkeit, geschirmte Hochvoltleitungen zu verwenden. Die Schirmung der Hochvoltleitungen ist notwendig, da leistungselektronische Komponenten wie der Antriebswechselrichter mehr als das 100-Fache an elektromagnetischen Störungen produzieren können als Komponenten der 12-Volt-Ebene. Auch wesentlich leistungsschwächere Hochvoltsysteme wie Klimakompressoren erreichen noch immer Werte, die beim 10-Fachen liegen.

Geschirmte Leitungen sind dick, schwer und biegesteif

Das Überkoppeln dieser massiven Störungen in die Steuer- und Kommunikationseinrichtungen des Fahrzeugs muss mittels der Abschirmung der Hochvoltkabel verhindert werden. Die geschirmten Kabel bringen aus Systemsicht einige Nachteile mit sich. So besitzen sie wesentlich höhere Durchmesser als ungeschirmte Leitungen, haben eine deutlich höhere Masse und sind wesentlich biegesteifer. Zudem weisen die Stecksysteme eine mangelnde Langzeitzuverlässigkeit auf, da die Schirmwirkung maßgeblich vom Kontaktwiderstand zwischen Kabelschirm und dem Metallgehäuse der Elektrokomponenten abhängig ist. Hier werden Werte von <10 mΩ gefordert.

Neuralgisch ist der Übergangswiderstand, welcher sich bei der Schirmübergabe von Stecker auf Buchse ergibt. Durch mechanische Beanspruchung, beispielsweise durch häufiges Stecken oder durch Rütteln und Schütteln im Fahrbetrieb, erhöht sich der Übergangswiderstand um bis zu dem 10-Fachen des ursprünglichen Wertes. Die Schirmwirkung wird dabei stark reduziert. Die benötigte hohe Robustheit macht die Stecker zusätzlich teuer.

Eine weiterer wichtiger Aspekt innerhalb der Fragestellung „Filtern oder Schirmen?“ ist, dass alle Geräte, die an das mit hohen Störpegeln belastete, aber geschirmte HV-Bordnetz angeschlossen werden, auch das Schirmkonzept zu 100% mit Aufrecht erhalten müssen. Häufig kommt es jedoch zur Störüberkopplung innerhalb an sich störarmer Geräte wie beispielsweise der Hochvoltbatterie von den Leistungskreisen auf die Steuerkreise. Von den ungeschirmten Steuerkreisen werden dann die hohen Pegel des Hochvoltbordnetzes abgestrahlt. Dieses Problem entfällt bei der Filterung des Hochvoltnetzes, da dann dort nur noch unkritische Störpegel vorhanden sind.

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