Aktuelle Entwicklung der nationalen und internationalen EMV-Normung von Elektrofahrzeugen und deren Ladeinfrastruktur

Elektro- und Hybridfahrzeuge, in Verbindung mit der Einspeisung durch regenerative Energiequellen, werden aufgrund der zu erwartenden steigenden Energiekosten, bei gleichzeitigem Zwang zur Verringerung der CO2-Emissionen, zukünftig zwangsläufig einen höheren Stellenwert einnehmen [Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU): Leitstudie 2008. Weiterentwicklung der "Ausbaustrategie Erneuerbare Energien" vor dem Hintergrund der aktuellen Klimaschutzziele Deutschlands und Europas, Berlin, Oktober 2008]. So zeigte die Internationale Automobilausstellung 2013 in Frankfurt eine Vielzahl an ausgereiften Hybrid- und Elektrofahrzeugen, die fast ausnahmslos noch in 2013 in den Markt gebracht werden sollen. Für einen nachhaltigen Erfolg der Elektromobilität ist es allerdings absolut erforderlich, neben marktfähigen Fahrzeugen eine funktional sichere Ladeinfrastruktur anzubieten. Damit sind die Sicherheits- und Funktionalitätsanforderungen an alle Produkte der Elektromobilität extrem hoch. Folglich sind die Interoperabilität von Ladeinfrastruktur und Fahrzeug, sowie das Zusammenspiel beider Systeme unter allen möglichen Umweltbedingungen und Parameterstreuungen wesentlich. Zu den Umweltbedingungen zählen neben den klimatischen und mechanischen Einflüssen auch die elektromagnetischen Einflüsse, wie z.B. Radiosender, Mobiltelefone und die Störungen, die von den beteiligten Systemen selbst ausgehen, bzw. deren Empfindlichkeit untereinander [Adolf J. Schwab, Wolfgang Kürner:, Elektromagnetische Verträglichkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007]. Im Folgenden werden einige als kritisch zu betrachtende Aspekte der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), getrennt nach den Besonderheiten der speziellen Ladeverfahren und damit ihrer Schnittstelle zum Energieversorgungsnetz dargestellt. Des Weiteren wird ein Einblick in die aktuelle Normungssituation bezüglich der EMV-Anforderungen an Elektrofahrzeuge (Hybrid, PHEV, EV) und Ladeinfrastruktur auf internationaler Ebene gegeben, die nicht unerheblichen Einfluss auf eine schnelle und vor allem für die Hersteller zukunftssichere Entwicklung haben

Untersuchungen zu TEM Hornantennen für Störfestigkeitsprüfungen im Nahbereich

Im Normentwurf der geplanten IEC 61000-4-39 [1] ist für den Bereich von 385 MHz bis 6 GHz der Einsatz von TEM Hornantennen vorgesehen. Im Rahmen der Arbeiten am Normentwurf wurden verschiedene Entwicklungsmuster von TEM Hornantennen entwickelt, um die technisch realisierbaren Parameter zu erforschen und zu erproben und um Erfahrungen zum Einsatz von TEM Hornantennen für die Störfestigkeitsprüfungen im Nahbereich zu gewinnen. Von besonderem Interesse waren dabei die Parameter Feldhomogenität, Frequenzabhängigkeit und der Vergleich mit anderen Antennen

Statistische Untersuchung von CISPR 12 Messplätzen anhand numerischer Feldsimulationen

Für die Störaussendungsmessung von Kraftfahrzeugen ist in der internationalen Norm CISPR 12 festgelegt, dass diese Messungen auf einem im Freien gelegenen Messplatz (en: outdoor test site, OTS) durchzuführen sind. Alternativ dazu können Absorberräume (en: absorber lined shielded enclosure, ALSE) genutzt werden, wenn die Ergebnisse denen entsprechen, die auf einer OTS gewonnen werden. Dazu sind derzeit im zuständigen Gremium CIPSR/D Validierungsverfahren in Beratung. Die Eignung eines möglichen Validierungsverfahrens ist in [C. Schwing, H. Hirsch et al., "Validierung von Messplätzen für Störaussendungsmessungen von Fahrzeugen nach CISPR 12", Elektromagnetische Verträglichkeit emv 2012, VDE VERLAG GMBH Berlin, 2012, pp. 273-280] dargestellt worden. Um für das Validierungsverfahren passende Grenzwerte zu definieren, müssen die Unterschiede der Messplätze herausgearbeitet und verstanden sein. Dazu bietet sich die Korrelation von Messverfahren nach CISPR 16-4-5 TR [IEC Technical Report CISPR 16-4-5, "Conditions for the use of alternative test methods"] an. In [C. Schwing, H. Hirsch, "Investigation of CISPR 12 test sites", Conference Proceedings EMC Europe 2012, Rome, doi: 10.1109/EMCEurope.2012.6396660] und [C. Schwing, H. Hirsch, " Validation of CISPR 12 test sites ", Conference Proceedings EMC Europe 2013, Brugge, ISSN 2325-0356, pp. 316-320] ist anhand von realen Messungen sowie numerischer Feldsimulationen gezeigt worden, dass Unterschiede zwischen den Messplätzen aufgrund unterschiedlicher Bodenparameter existieren. Im Folgenden wird die Korrelation von ALSE und OTS, im Hinblick auf die Abweichung des jeweiligen Messplatzes zu einer definierten Referenzgröße untersucht. Diese physikalische Referenzgröße ist ein Maß für das Störpotential eines Prüflings hinsichtlich des Funkschutzes

Differentialmessmethode für hochfrequente Wellenströme bei Hochvolt-Antrieben

Die Autoindustrie erlebt einen Wandel von Otto-Motoren hin zu elektrischen Antrieben. Als Ergebnis werden mehr und mehr neue Antriebsvarianten und -topologien erprobt und letztendlich in Fahrzeugen eingesetzt. Die dabei entstehende Vielfalt der Komponenten, für die eine EMV-Konformität nachgewiesen werden muss, nimmt zu. Obwohl die vierte Ausgabe der CISPR 25 [1] Anforderungen für die Störaussendung von Hochvolt (HV)- und Niedervolt (LV)-Komponenten und erstmalig auch für die Kopplung zwischen beiden Bordnetzteilen definiert, bleiben Lücken, die in der Praxis durchaus zu Problemen führen können. Dazu gehören elektrische Maschinen mit den in ihnen entstehenden hochfrequenten Antriebswellenströmen, welche auf Mikro-Durchschläge und Kontaktentladungen in den Lagern zurückzuführen sind. Es sind mehrere Publikationen über diese Phänomene erschienen [2-5], die aber nicht zur Definition geeigneter Messmethoden geführt haben. Die messtechnische Erfassung der Störaussendung auf der mechanischen Welle kann entweder berührungslos mit einer Stromzange oder mittels Kontaktierung über einen Shunt erfolgen. Beide Messmittel müssen für eine reproduzierbare Messung im Bereich der Welle montiert werden [6]. Das beschränkte Raumangebot, Sicherheitsaspekte und die Größenunterschiede zwischen Maschine und Messwertaufnehmer beschränken die Nutzung dieser Messmittel erheblich. Um diese Probleme bei der Messung zu vermeiden wird in diesem Beitrag eine Differentialmessmethode für hochfrequente Wellenströme vorgestellt. Diese eignet sich für den Einsatz im Aufbau nach CISPR 25

Messung der Störaussendung von Kraftfahrzeugen unterhalb von 30 MHz

Die Messung der gestrahlten Störaussendung von Kraftfahrzeugen mit dem Ziel der Fernentstörung von Funkdiensten in Wohngebieten ist in CISPR 12 [1] beschrieben. Darin wird eine Messung des Frequenzbereichs zwischen 30 MHz und 1000 MHz dargestellt. Mit zunehmender Verbreitung von Fahrzeugen mit Elektround Hybridantrieben, sowie deren Ladevorgang kommt die Forderung auf, Methoden für den Frequenzbereich unterhalb von 30 MHz zu definieren. Denn speziell im Frequenzbereich von einigen Kilohertz bis zu wenigen 10 MHz sind die Aussendungen von schnell schaltenden Halbleiterventilen der Leistungsumrichter hoch und haben das Potential auch von einem Fahrzeug in nennenswertem Ausmaß abgestrahlt werden zu können. Die Notwendigkeit zur Ergänzung der Bewertung von abgestrahlter Störaussendung bei Elektround Hybridfahrzeugen ist auf CISPR-Ebene erkannt worden und ein Auftrag zur Erstellung eines Entwurfs für die neue Norm CISPR 36 [2] ist an CISPR/D erteilt worden. In CISPR/A wurde im Vorfeld und wird parallel zu der Arbeit in CISPR/D ebenfalls an Verfahren und Messmethoden zur Bewertung der gestrahlten Störaussendung für die CISPR 16-2-3 [3] und CISPR 16-1-4 [4] gearbeitet. Der Entwurf der CISPR 36 beinhaltet den im Freien gelegenen Messplatz als Referenzmessplatz und eine Messung in einer Absorberhalle ist alternativ, so wie es auch in CISPR 12 definiert ist. Auch für den Frequenzbereich unterhalb von 30 MHz muss die Vergleichbarkeit von Messungen auf einem im Freien gelegenen Messplatz und einer Messung in einer Absorberhalle gezeigt werden. Dazu muss auch ein Validierungsverfahren für den Frequenzbereich unter 30 MHz bereitgestellt werden. Im Folgenden wird das Messverfahren nach CISPR 36 vorgestellt und es wird ein mögliches Validierungsverfahren anhand von Simulation und Messergebnissen vorgestellt

Untersuchung von Validierungsverfahren für Messplätze zur Emissionsmessung von Fahrzeugen

Die Arbeit an einer geeigneten Methode zur Beurteilung von Messplätzen zur gestrahlten Störaussendungsmessung von Fahrzeugen ist seit einiger Zeit Thema in CISPR/D. In [1] ist eine Methode durch die Deutsche CISPR/D-Arbeitsgruppe im Rahmen eines Round-Robin-Tests vorgestellt worden, welche das Prüfvolumen durch eine Sendeantenne an sechs Positionen in je zwei Höhen untersucht. Durch die japanische CISPR/D-Arbeitsgruppe ist eine andere Methode vorgestellt worden, die nur eine Antennenposition zur Beurteilung des Messplatzes heranzieht. Beim Vergleich zeigt sich, dass die Herausforderung an das Validierungsverfahren in der Definition des Messplatzes zur Störaussendungsmessung von Kraftfahrzeugen nach CISPR 12 [2] besteht. In CISPR 12 wird der Messplatz für die Störaussendungsmessung von Kraftfahrzeugen als ein im Freien gelegener Platz (OTS: outdoor test site), ohne metallische Gegenstände in einem Radius von 30 m definiert. Eine genauere Definition der Beschaffenheit des Bodens ist nicht gegeben. Alternativ dazu kann in einer Absorberhalle gemessen werden, wenn gezeigt werden kann, dass die Messungen dort den Messungen auf einer OTS entsprechen. Aus diesen Anforderungen sollte ein Validierungsverfahren im Idealfall eine Methode zur Beurteilung beider Messplatztypen zur Verfügung stellen und damit gleichzeitig einen Vergleich von Absorberhalle und im Freien gelegenen Messplatz erlauben. Im Folgenden wird eine Methode vorgestellt und es werden Ergebnisse mit dieser Methode, sowie eine Abwandlung dieser Methode vorgestellt und diskutiert

Grenzen der klassischen Störaussendungs- und Störfestigkeitsmessungen: Beeinflussung des Störspektrums durch nichtlineare Elemente

Ein zu prüfendes System wird als elektromagnetisch verträglich bezeichnet, wenn es zufriedenstellend in seiner vorgesehenen elektromagnetischen Umwelt arbeitet und dort nur in einem zulässigen Maß zum Störgeschehen beiträgt. [1] Der Beitrag zum Störgeschehen wird mit Störaussendungsmessungen nachgewiesen, welche je nach Prüfling und Umgebung, z.B. durch CISPR-Normen, vorgegeben sind. Auf gleiche Weise sind Störfestigkeitsmessungen definiert, welche die Prüfbedingungen, zum Nachweis der ausreichenden Festigkeit gegenüber einwirkenden Störgrößen, vorschreiben. Besteht das zu prüfende System beide Messungen gemäß der zugehörigen Vorschrift, gilt es als elektromagnetisch verträglich bezüglich der Umgebung, für die es vorgesehen ist. Darauf aufbauend kann der Hersteller in der EU eine CE-Kennzeichnung an seinem System anbringen und es innerhalb der Europäischen Union vertreiben. Störaussendungs- und Störfestigkeitsmessungen werden separat durchgeführt. Es wird davon ausgegangen, dass die Ergebnisse überlagert weiterhin ihre Gültigkeit behalten. Außerhalb des Prüflabors liegen allerdings andere Bedingungen vor und zusätzliche Effekte des Prüflings können zum Vorschein kommen. Zum Beispiel gibt die Störfestigkeitsnorm [2] nur einzelne Störträgerfrequenzen vor, welche mit einer 1 kHz Sinuswelle und einer Tiefe von 80 % amplitudenmoduliert sind. Tatsächlich muss damit gerechnet werden, dass heute eine Vielzahl von Störfrequenzen, ggf. mit diversen unterschiedlichen Modulationstypen, zeitgleich auf das System einwirken. Dies kann, wenn nichtlineare Elemente im System verbaut sind, zu Wechselwirkungen der einwirkenden Einzelfrequenzen führen. Dies sind zum Beispiel Harmonische des Grundstörsignals oder Intermodulationsprodukte (IM). Diese Mischprodukte können nicht nur das System selbst, sondern ebenfalls die Umgebung beeinflussen und ggf. Störungen verursachen. Eine allgemeine Betrachtung des Prüflings als Koppel- oder Mischelement ist in den Prüfnormen bis auf wenige Ausnahmen unüblich. Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse, welche die beschriebenen Wechselwirkungen aufzeigen. Es wird das verwendete Messverfahren erläutert und die Probleme, welche bei der Messung von nichtlinearen Effekten auftreten können, aufgezeigt. Bei den verwendeten Prüflingen handelt es sich um handelsübliche USB-Schaltnetzteile. Diese beinhalten eingangsseitig eine B2 Gleichrichter-Brücke mit angeschlossenem Kondensator um die anliegende 230 V-Netzwechselspannung gleichzurichten

Feasibility of ultra-compact HTS CrossConductor based Power Transmission Cables

HTS CrossConductor is a compact stacked-tape REBCO conductor of high current density. In this contribution, a non-concentric three-phase cable design based on HTS CroCos is presented, which offers the possibility to reduce the cable diameter significantly. One of the important aspects of HTS-AC power cables are the AC-losses, which are investigated both theoretically and experimentally. For the measurement of the dissipated power loss in both single-phase and three-phase conductor arrangements, a calorimetric method is used. The results indicate that it is possible to reduce the outer cable diameter compared to concentric cables designs by a factor of two. When the losses of such a cable with HTS CroCo design shall not exceed 2 W/m for all three-phases, the maximum ampacity results in a current of 600 A(rms) per phase. Depending of the target there are many potential applications for such an ultra-compact HTS CroCo-based power transmission cable design

Untersuchungen zum Potential von kombinierten Schirmlösungen zur Reduzierung der Störaussendung in Antriebssystemen von Elektro- und Hybridfahrzeugen

Die in Elektrofahrzeugen eingesetzten Antriebskomponenten stellen im Fahrzeug besonders im Bezug auf die EMV Anforderungen eine enorme Herausforderung dar. Speziell die eingesetzten elektrischen Antriebssysteme mit Leistungen im 100kW Bereich stellen im Betrieb eine Storquelle in Fahrzeugen dar, die im Bezug auf die Storaussendung intensiver Gegenmasnahmen bedarf. Das elektrische Antriebssystem solcher Fahrzeuge besteht im Wesentlichen aus einem Antriebsumrichter, welcher aus einer Hochvoltbatterie mit Spannungen von bis zu 800V gespeist wird und damit eine elektrische Antriebsmaschine betreibt. Zudem kommen meistens noch ein Gleichspannungswandler als Schnittstelle zwischen dem 12V-Bordnetz und dem HV Bordnetz sowie ein Batterieladegerat zu Einsatz. Zur Abschirmung sowie zur Gewahrleistung der elektrischen Sicherheit wird das gesamte Hochvoltbordnetz als IT-Netz, also isoliert vom restlichen Fahrzeug aufgebaut und vollstandig geschirmt. Im Bezug auf die EMV Anforderungen ist die Qualitat der Schirmung also der Kabelschirme, der Gehause und der Steckverbinder entscheidend. Speziell im Bereich des Elektroantriebs entstehen aufgrund der hohen Antriebsleistungen auch hohe Storaussendungen. Der Antriebsumrichter erzeugt an seinem Ausgang ein Frequenzvariables Drehstromsystem, indem er die volle Batteriespannung auf die Standerwicklungen des Antriebs schaltet. Die IGBTs, die in den meisten Umrichtern zum Einsatz kommen sind in der Lage sehr steile Schaltflanken von ca. 4kV/mikrosekunde bis 6kV/mikrosekunde zu realisieren. Durch diese PWM Spannungen auf den Antriebsleitungen und den angeschlossenen Standerwicklungen entstehen breitbandige Storaussendungen, die z.B. uber Streukapazitaten in andere Teile des Fahrzeugbordnetzes uberkoppeln und dort zu Funktionsbeeintrachtigungen fuhren konnen. Aktuell werden für die Antriebsleitungen im Wesentlichen zwei unterschiedliche Schirmkonzepte eingesetzt. Zum Einen werden drei Antriebsleitungen mit Einzelschirmung und zum Anderen drei ungeschirmte Leitungen mit einer Summenschirmung eingesetzt. Vorangegangene Untersuchungen hatten gezeigt, dass die Antriebsleitungen mit Summenschirmung tendenziell etwas geringere Storungen aufweisen, da die Leiterstrome durch den geringeren Schirmquerschnitt nach ausen hin nur teilweise kompensiert werden konnen. Im Folgenden sollen nun beide Schirmkonzepte kombiniert werden, um die Storaussendungen des Umrichter Motor Systems weiter zu reduzieren. Hierbei wird ein zusatzlicher Summenschirm um die einzeln geschirmten Antriebsleitungen angebracht. Die Untersuchung erfolgt sowohl anhand des verwendeten Simulationsmodells als auch anhand von Messungen an einem Antriebsstrang, wie er in Elektrofahrzeugeneingesetzt wird