Durch den hohen Zeit- und Kostendruck in der Automobilindustrie ist es üblich, die EMV-Erprobung nicht erst im Auto durchzuführen, sondern möglichst früh auf Komponentenebene. Das gilt auch für die neue Hochvolttechnologie bei Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenantrieben, wo Versorgungsspannungen von mehreren hundert Volt, Ströme von einigen hundert Ampere und Elektromotoren mit Leistungen von 50 Kilowatt und mehr keine Seltenheit sind.
* Mooser EMC Technik GmbH
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Mit einem Testbereich von bis zu 1000 Volt, 300 Ampere und 100 Kilowatt Leistung der Hochvoltversorgung und des Bremsmotors bietet das Prüfzentrum von Mooser optimale Voraussetzungen für EMV-Tests von Wechselrichtern, Motoren, Hochvoltbatterien und Gesamtsystemen. Herkömmliche EMV-Messkabinen mit einer Auslegung nur auf 12- und 24-Volt-Bordnetze eignen sich nicht dafür. Da der Umgang mit so hohen Spannungen und Strömen – zumindest am Anfang – etwas gewöhnungsbedürftig ist, sind die Einrichtungen entsprechend abgesichert und das Personal wurde extra geschult.
Gekoppelt und doch entkoppelt
Um die Wechselrichter, Motoren, Hochvoltbatterien und Gesamtsysteme unter realen Bedingungen prüfen zu können, sind neben der externen Stromversorgung (eine Batterienachbildung mit der Möglichkeit der Rückspeisung von elektrischer Energie), ein Motorprüfstand in der Kabine und ein externer Motor erforderlich. Der externe Motor dient im Fahrbetrieb als Bremse und im Bremsbetrieb (Rekuperationsphase) als Antrieb für den Prüfling. Die Aufspannvorrichtung für den Prüfling ist bewusst universell ausgelegt. Zudem ist für die Prüflinge eine externe Flüssigkeits-Kühlanlage vorhanden. Für Tests, bei denen noch kein Elektromotor zur Verfügung steht, besteht die Möglichkeit, einen Wechselrichter mit einer Lastnachbildung zu prüfen.
Eine wichtige Anforderung ist die mechanische Koppelung beider Motoren, ohne dadurch die Schirmwirkung der EMV-Kabine zu beeinträchtigen. Dazu müssen die Motoren aber schwingungstechnisch gedämpft und voneinander entkoppelt sein, was durch zwei getrennte Motorfundamente mit einigen Tonnen Gesamtgewicht gewährleistet wird.
Die Absorberkabine mit den speziellen Hochvoltfiltern und den Hochvoltdurchführungen hat Albatross Projects konstruiert. Ebenso die mechanische Durchführung von Motor 2 (Prüfling) zu Motor 1 (Brems- und Antriebsmaschine). Die Anforderungen an diese Durchführung waren Neuland. Bei einer Drehzahl von einigen tausend Umdrehungen pro Minute und einem Drehmoment von bis zu 300 Newtonmeter ist eine Schirmwirkung der Kabine von ≥ 100 dB angeraten. Dank des Filterkonzepts und der speziellen Durchführung für den Motorantrieb wird auch ein Eindringen der Wellenströme des externen Motors in die Kabine verhindert.
Komplett abgeschirmt
Um den ungestörten Radio- und Funkempfang im Fahrzeug zu gewährleisten, müssen die Komponenten bestimmte Grenzwerte einhalten. Bei den Elektroantrieben wird aus einer hohen Gleichspannung durch Zerhacken eine 3-Phasen-Wechselspannung mit variabler Frequenz erzeugt. Dadurch entstehen sehr hohe und breite hochfrequente Störspektren. Allein durch die wesentlich höheren Spannungen sind die Störungen in der Größenordnung Faktor 50 (34dB) höher als bei herkömmlicher Kraftfahrzeug-Elektronik. Der komplette Hochvoltbereich (High Voltage-Bereich, HV), einschließlich der Steckverbinder, ist deshalb geschirmt. Das geschlossene Schirmkonzept ist eine Grundvoraussetzung bei den EMV-Messungen und hat weitere Sonderentwicklungen zur Folge, etwa Impedanzanpassungen der HV-Gleichspannungs-Versorgungsleitungen.
Zwischen dem Elektroantrieb (HV-Bereich) und dem 12-Volt-Bordnetz (Low-Voltage-Bereich, LV) gibt es zahlreiche funktionale Verbindungen, weshalb beide Bereiche durch Schirme und Filter ebenfalls konsequent getrennt sein müssen. Diese Trennung ist ebenfalls Teil der EMV-Prüfungen. Bei den Prüfungen ist deshalb das Gesamtsystem aufgebaut, bestehend aus HV- und LV-Komponenten.
Bitte keine Störung
Die Rahmenbedingungen bei Störaussendungsmessungen nach CISPR 25 gelten analog auch für die Messverfahren der Störfestigkeit. In den ISO-Normen 11452 sind die Basis-Messverfahren für die Störfestigkeit an Kfz-Komponenten beschrieben. Die geforderte Störfestigkeit liegt meistens zwischen 100 und 300 Volt pro Meter, in einigen Fällen auch bei 600 Volt pro Meter.
In den internationalen Normen CISPR 25 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) und den ISO-Normen 11452 sind auch die prinzipiellen Messaufbauten für Komponententests von herkömmlicher Automobil-Elektronik beschrieben. Die Messeinrichtungen des EMV-Prüfzentrums erfüllen selbstverständlich auch diese Anforderungen. Bei der Halterung für die Elektromotoren handelt es sich um eine massive Stahlkonstruktion auf einem Maschinenbett mit mehreren Tonnen Gewicht. Die Konstruktion ist so gelöst, dass sie die Messergebnisse nur unwesentlich beeinflusst.
Mit Energie versorgt
Die Energieversorgung für die Prüflinge ist ein erprobtes und leicht modifiziertes System des Prüftechnikanbieters Kratzer Automation aus München. Die Eckdaten sind eine variable Spannung von Null bis 1000 Volt, Ströme von Null bis 300 Ampere und ein Elektromotor mit 100 Kilowatt Leistung. Die Anlage versorgt die Prüflinge mit Energie und kann während der Rekuperationsphase die zurückgespeiste Energie aufnehmen. Auch schnelle Lastsprünge sind möglich. Die Energieversorgung, der externe Steuerrechner und die Prüfsoftware von Kratzer Automation bilden mit dem externen 100 Kilowatt-Motor und dessen Steuerung von ABB einen kompletten Motorprüfstand in einer EMV-Kabine. Über die Schnittstellen zum Steuerrechner können die Ingenieure die Testprogramme auf dem EMV-Prüfstand abfahren.
Parallel zu der Absorberkabine hat Mooser einen Prüfstand für elektrische Tests an Hochvoltkomponenten aufgebaut. Auf diesem Prüfstand wird bei HV-Geräten die Störfestigkeit gegen Restwechselspannungen, Dips und Drops und andere Eventualitäten geprüft. Diese Tests sind auch in einem 1000-Liter-Temperaturschrank mit einem Temperaturbereich von -45 bis +185 Grad Celsius durchführbar.
Fazit
Mit dem neuen EMV-Prüfzentrum für Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenantriebe dürfte die Mooser EMC Technik GmbH die zurzeit wohl modernste und leistungsfähigste Anlage dieser Art betreiben. Durch ihre zukunftsweisende Konzeption erfüllt sie alle derzeitigen und in den nächsten Jahren zu erwartende Anforderungen an ein EMV-Prüfzentrum für Hochvoltanwendungen. Die aus den EMV-Tests von Wechselrichtern, Motoren, Hochvoltbatterien und Gesamtsystemen gewonnenen Erkenntnisse fließen nicht nur in die Entwicklungsprojekte der Kunden ein, sondern werden auch für die Weiterentwicklung der nationalen und internationalen Normenarbeit verwendet.
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