Filterlösungen für die E-Mobilität

Automobile werden mit immer mehr Elektronik ausgestattet, was die Anforderungen an die EMV erhöht. In xEV-Fahrzeugen kommt die Leistungselektronik der Motorinverter hinzu. Daraus resultierende EMV-Probleme lassen sich mit neuen Filterlösungen von TDK elegant, platz- und gewichtsparend lösen.

In Industrieumgebungen ist es längst Standard, bei geregelten Antrieben auf Basis von Umrichtern und Invertern EMV-Maßnahmen zu ergreifen. Nur so lässt sich das reibungslose Miteinander der Systeme sicherstellen. xEV-Fahrzeuge der neuesten Generation – gleichgültig ob Hybrid- oder reiner E-Antrieb – sind vollgepackt mit Elektronik. Dabei handelt es sich um die immer komplexer werdenden Systeme für Komfort, Sicherheit und Kommunikation, wie sie auch in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu finden sind. Ergänzt wird dies bei xEV-Fahrzeugen um das elektrische Antriebssystem bestehend aus Hochvolt-Batterie, Inverter und mindestens einem Elektromotor. Oberstes Gebot bei der Entwicklung dieser Fahrzeuge ist natürlich, dafür zu sorgen, dass sich die auf engstem Raum gepackten einzelnen Systeme nicht gegenseitig beeinflussen und stören. Auch fahrzeugexterne Systeme dürfen nicht gestört werden. Geregelt ist dies durch internationale Standards wie der CISPR 25 oder EU-Richtlinie ECE-R10.

Probleme durch geschirmte Kabel

Die Inverter arbeiten mit Pulsbreitenmodulation um den Motor mit gewünschter Leistung und Drehzahl anzusteuern. Durch die steilen Flanken entstehen auf der Eingangs- wie Ausgangsseite der Inverter erhebliche EMV-Probleme, die sich als gestrahlte wie auch leitungsgebundene Emissionen darstellen. Um diese möglichst gering zu halten, basieren die meisten Designs auf einer kompletten Kapselung bzw. Schirmung des gesamten Systems.

Aus Platzgründen und zur besseren Gewichtsverteilung sind die einzelnen Komponenten des Antriebs auf das gesamte Fahrzeug verteilt. Die Batterie liegt meist im Heckbereich, während der Inverter im Frontbereich verbaut ist. Der Motor bzw. die Motoren sind an den Achsen oder in der Ausführung als Radnabenmotoren direkt an den Rädern verbaut. Zur Anbindung des Inverters an die Batterie ist ein entsprechend langes, geschirmtes Kabel erforderlich, das jedoch die Sicherstellung der EMV gefährden kann. Einerseits können hohe Schirmströme auftreten, die, wenn sie im hochfrequenten Bereich liegen, zu hohen Emissionen beitragen sowie Spannungsspitzen, die bei entsprechender Größe sogar zu einer Schädigung von Inverter oder Batterie führen können. Außerdem können Störungen in das Niedervolt-System des Fahrzeugs eingekoppelt werden.

Ein weiteres Problem ist die elektrische wie auch mechanische Anbindung des Kabelschirms an die Schirmung der Batterie bzw. des Inverters. Die Impedanz dieser Anbindung muss extrem gering sein, um eine ausreichende Schirmung sicherzustellen. Gerade in Fahrzeugen treten durch Vibration oder Schock mechanische Kräfte auf, die die Schirmanbindung schwächen und somit die Impedanz langfristig ansteigen lassen. Nicht zu vernachlässigen sind auch Alterungsprozesse, die durch Oxidation oder sogar Korrosion auftreten. Abbildung 1 zeigt den Messaufbau nach CISPR 25 zur Bewertung von Emissionen einer Hochvolt-Leistungselektronik.

Abbildung 1:

Messanordnung nach CISPR 25

Die gestrahlten wie leitungsgebundenen Emissionen eines Systems mit geschirmtem Kabel zwischen Batterie und Inverter, gemessen anhand des dargestellten Aufbaus, sind in Abbildung 2 dargestellt.

Emissionen bei Verwendung eines geschirmten Kabels

Abbildung 2:

Die Verwendung eines geschirmten Kabels zwischen Batterie und Inverter reduziert zwar die gestrahlten (oben),
jedoch nicht die leitungsgebundenen (unten) Emissionen.

Deutliche Verbesserung der EMV durch Filter

TDK hat eine speziell auf die Bedürfnisse von elektrischen Antrieben für Fahrzeuge zugeschnittene Serie von Zweileiter-Hochvolt-Gleichstrom-Filtern entwickelt. Die Bauelemente der Serie P100316* sind für eine maximale Spannung von 600 V DC ausgelegt und entsprechen damit den typischen Spannungen, die von Hochvolt-Batterien bereitgestellt werden. Die Stromtragfähigkeiten der Filter liegen bei 150 A DC oder 350 A DC, wodurch selbst Antriebssysteme mit Leistungen von deutlich über 100 kW befiltert werden können. Der Gleichstromwiderstand liegt bei allen Typen bei nur 0,05 mΩ, wodurch auch bei hohen Strömen keine nennenswerten Verluste auftreten.

In einem Testaufbau konnte die hervorragende Filterwirkung bestätigt werden (Abbildung 3).

Abbildung 3:

Emissionen bei Verwendung des Hochvolt-Gleichstrom-EMV-Filters:
Deutlich zu erkennen: Durch den Einsatz des neuen EMV-Filters zwischen Batterie und Inverter konnten besonders die leistungsgebundenen Emissionen trotz Verwendung eines ungeschirmten Kabels drastisch gesenkt werden.

Trotz Verwendung eines ungeschirmten Kabels konnten besonders die leistungsgebundenen Emissionen um bis zu 70 dB oder einem Faktor von 3000 reduziert werden. Der Einsatz der neuen Filter bringt einen weiteren Vorteil mit sich: Übliche EMV-Maßnahmen in den einzelnen Systemkomponenten können deutlich reduziert werden.

Neben den herausragenden elektrischen Werten überzeugen die Filter auch durch geringes Gewicht und kompakte Abmessungen – Faktoren, die für den Einsatz in Fahrzeugen entscheidend sind. So variieren die Abmessungen abhängig von Typ zwischen nur 121 x 52 x 52 mm³ und 186 x 65 x 65 mm³.

Die neue Serie umfasst 12 verschiedene Typen, die sich neben den beiden Stromtragfähigkeiten von 150 A DC bzw. 350 A DC durch ihre Filtercharakteristiken unterscheiden. Damit ist es dem Entwickler möglich, ein exakt auf seine EMV-Problematik abgestimmtes Filter auszuwählen. Neben den Ausführungen mit einer generellen Gleichtaktunterdrückung sind etwa auch Typen verfügbar, die im Langwellenspektrum zwischen 150 kHz und 300 kHz eine besonders hohe Filterwirkung aufweisen.

Lebensdauer von Motoren erhöhen

Am Ausgang des Inverters treten durch die steilen Schaltflanken Spannungsspitzen auf, die durch Leitungsinduktivitäten noch überhöht werden. Unter ungünstigen Umständen können diese Spannungsspitzen zu Überschlägen in den Motorwicklungen führen und diese zerstören.

Gleichzeitig entstehen auch Ableitströme, die durch die Motorlager fließen zur Funkenbildung führen. Dadurch wiederum werden die Oberflächen der Kugeln bzw. Rollen geschädigt, was zu einem frühzeitigen Ausfall der Lager führt.

Abhilfe dagegen schaffen Ferrit-Ringkerne durch die die Motorleitungen geführt werden. Gleichtaktstörungen werden somit deutlich reduziert und die Ableitströme auf ein unkritisches Niveau gesenkt. TDK bietet hierfür ein breites Spektrum an Ringkernen in unterschiedlichen Geometrien und Ferritmaterialien, die für bestimmte Frequenzbereiche und Temperaturen optimiert sind, und somit auf jedes Antriebssystem abgestimmt werden können

Tabelle: Technische Daten von Zweileiter-Hochvolt-Gleichstrom-Filtern

* Bezogen auf passive Kühlung. Aktive Kühlung ermöglicht höhere Temperaturen.