Entwicklung einer EMV-gerechten Hochvoltverkabelung für das elektrische Traktionssystem von Kraftfahrzeugen im Rahmen der Elektromobilität

In Elektro- und Hybridfahrzeugen wird das konventionelle Bordnetz um ein Hochvolt (HV)-bordnetz zur Realisierung der elektrischen Traktionssysteme erweitert. Die Komplexität der Fahrzeugelektronik wird dadurch deutlich gesteigert und eine wesentlich höhere Spannungsebene (bis 1000 V) wird eingeführt. Aufgrund von funktionell bedingten, schnellen Schaltvorgängen erzeugen die neuen elektronischen Hochvoltkomponenten wie beispielsweise der leistungselektronische Umrichter oder der DC-DC-Wandler Störungen, die bisher im Kraftfahrzeug nicht auftraten. Damit diese nicht als Störer die fehlerfreie Funktion anderer Elektroniksysteme im Fahrzeug beeinflussen, wird das gesamte Hochvoltsystem u. a. als vollständig geschirmtes System in das Fahrzeug integriert. Andernfalls bietet sich zwischen beiden koexistierenden Bordnetzen ein besonders hohes Verkopplungspotential.

Folgende Ziele sind bei den Untersuchungen zu erreichen:

• Weiterentwicklung und Applikation der Messverfahren für HV-Halbleiter/ HV-Komponenten und
• Untersuchung von Design-Parametern innerhalb der Halbleitermodule in Bezug auf die Verringerung der Störaussendung anhand spezieller Module.

Die EMV-Anforderungen des Gesamtsystems im Fahrzeug können nur erfüllt werden, wenn die hochvoltspezifischen Anforderungen vorerst auf Komponenten- bzw. Systemebene detailliert untersucht und die EMV-Eigenschaften auf diesen Ebenen gezielt entwickelt wurden. Diese Eigenschaften müssen bei der Integration in das Gesamtfahrzeug erhalten bleiben. Diese Verkopplung kann sowohl über die geschirmt ausgeführten Hochvoltleitungen in ihrer realen Verlegung als auch über die Hochvoltkomponenten, wie Traktionsbatterie, Umrichter, DC-DC-Wandler und elektrischer Antriebsmaschine erfolgen. Die Hochvoltleitungen müssen in Traktionsleitungen zwischen Energiespeicher und Umrichter sowie Phasenleitungen zwischen Umrichter und E-Maschine unterschieden werden. Zur Entkopplung des Hochvoltsystems werden bisher verschiedene Ausführungen bezüglich Schirmung und Isolation von den Herstellern von E-Fahrzeugen ins Kalkül gezogen.

Basierend auf Untersuchungen auf Komponentenebene wird die typische Störaussendungscharakteristik von elektrischen Antriebssystemen aufgezeigt. Das nebenstehende Diagramm zeigt diese typische, leitungsgeführte Störaussendung von Leistungshalbleitermodulen, welche funktionsbedingt ist.

Der Vergleich im nebenstehenden Diagramm liegt in der Spannungshöhe der Ansteuerung VDC. Dabei wird deutlich, dass sich der charakteristische Störaussendungsverlauf nur minimal unterscheidet. Vielmehr ist dieser bestimmt durch die Stromänderungsgeschwindigkeit der Motor-Ansteuerung.

Um die Störspektren der Systeme exemplarisch im Fahrzeug zu ermitteln, wurden in einem Trabant 601 mit Elektroantrieb (Fa. CitySax Mobility GmbH) Untersuchungen mit einer HF-Stromzange durchgeführt. Die ermittelte Charakteristik der leitungsgeführten Störströme ähnelt den Untersuchungen auf Komponentenebene.

Als Ergebnis zeigt sich, dass eine Schirmung des HV-Systems unabdingbar ist. Diese Schirmung kann dann durch Verlegung beeinflusst werden. Die EMV-Eigenschaften des Hochvoltsystems werden entscheidend durch die Leitungen und der dazugehörigen Kontaktierungen beeinflusst. Auf Basis der Leitungsuntersuchungen und Ergebnissen von Komponenten- sowie Fahrzeugtests steht im Fazit die Zusammenführung des Störpotentials zur Wirkung der Schirmung von Hochvoltleitungen bzw. kompletten Hochvoltsystemen in Elektro- und Hybridfahrzeugen.