Fundamental investigastions considering energy efficiency and EMC of electric vehicle by using a scaled Power-HiL-Setup

Die Elektromobilität ist als ein Teil der Energiewende eines der aktuellen Themen in der technischen Forschung. Die Idee dabei ist der Einsatz von elektrischen Antrieben in Fahrzeugen zur Reduzierung des CO2-Ausstroßes im Individualverkehr. Trotz der hohen Wirkungsgrade der eingesetzten Elektro-antriebe ist die Reichweite aktueller Elektrofahrzeuge aufgrund der begrenzten Batteriekapazität auf etwa 100-200km begrenzt. Zudem werden energieintensive Nebenverbraucher, wie die Heizung und der Klimakompressor an der Antriebsbatterie betrieben, was die Reichweite weiter reduziert. Die begrenzte Reichweite in Kombination mit den langen Ladezeiten zeigt, dass eine optimale Nutzung der verfügbaren Energie bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen berücksichtigt werden muss. Zudem ergeben sich durch die Integration von leistungselektronisch geregelten Antriebssystemen in die bestehenden Fahrzeugarchitekturen (12V-Bordnetz) enorme Herausforderungen bzgl. der EMV Anforderungen, die einen Anpassungsprozess der relevanten EMV-Standards im Fahrzeugbereich bedingt haben. Um einen störungsfreien Parallelbetrieb der beiden Bordnetze zu gewährleisten, wird das Antriebsbordnetz isoliert vom 12V-Bordnetz realisiert und zudem vollständig geschirmt. Aufgrund von Kostenfaktoren und dem geringen Platzangebot im Fahrzeug ist die Anzahl der zusätzlich realisierbaren Gegenmaßnahmen begrenzt. Um sowohl die Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen als auch die im Antriebsbordnetz auftretenden Störaussendungen basierend auf realen Komponenten zu untersuchen, wird eine Power-HiL Umgeb-ung des Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs realisiert. Zur Untersuchung der Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen, wird das Antriebsbordnetz aus energietechnischer Sicht als Netzwerk mit Erzeugern und Verbrauchern betrachtet. Um sowohl unterschiedliche Fahrzeuge als auch unterschiedliche Antriebsysteme zu untersuchen, wird eine Skalierungsmethode vorgestellt, welche auch auf andere Prüfstände adaptierbar ist. Mit dem Aufbau wird der Einfluss unterschiedlicher Fahr-zyklen, Antriebssysteme, Rekuperationsleistungen und Hochvolt-Nebenverbraucher auf die Reich-weite der Fahrzeuge umfassend untersucht. Zur Untersuchung der EMV des elektrischen Antriebsstrangs wird die Power-HiL Umgebung ver-wendet, um die Störaussendung des Antriebssystems von Elektrofahrzeugen und deren Ausbreitung im Fahrzeug zu untersuchen. In den aktuellen EMV-Standards werden die leitungsgeführten Störaus-sendungen an den Antriebs- und Traktionsleitungen des Umrichters in konstanten Betriebspunkten gemessen. Diese Störungen breiten sich zudem über die Antriebswelle, die eine Schwachstelle im aktuellen Schirmkonzept darstellt, im Fahrzeug aus. Da diese Wellenströme in der aktuellen Normung nicht berücksichtigt sind, werden sie mit der Power-HiL Umgebung erstmalig untersucht. Zudem wird ein Messaufbau vorgestellt, mit dem die Störaussendung im Frequenzbereich über der Zeit während eines dynamischen Fahrzyklus untersucht werden kann.Electro mobility is part of the energy turnaround in Germany and thus one of the actual topics in technical research. The main idea is the reduction of CO2 emissions of public and individual traffic by using electric drives for vehicle propulsion. Despite the high efficiency of the electric traction systems electric vehicles have a limited driving range of 100-200 km. This limitation is caused by the capacity of the propulsion batteries used. In addition energy-intensive loads like the electric air conditioning compressor and the interior heating are supplied by this battery further reducing the vehicle’s driving range. Compared to vehicles with internal combustion engine electric vehicles can recuperate energy into the battery during the braking process. Especially in inner city traffic this causes an increase of the overall driving range. However, the combination of the limited driving range and the long duration of the recharge process indicates, that the optimal usage of this energy is one of the main topics during the development process of electric vehicles. Furthermore, integrating electric traction systems in the existing vehicle electric architectures causes enormous challenges with respect to the EMC requirements. Due to this process all affected automotive EMC standards are actually adapted. Inside the power electronic components fast switching power semiconductors are used. In order to further increase the efficiency of the components the switching frequency of power semiconductors and the system’s operational voltage is increased. Beside the better efficiency of the components the electromagnetic interference (EMI) generated by the drive system increases. In order to provide an undisturbed operation of the 12V- and the traction system the traction system is built up isolated and completely shielded from the vehicle’s chassis. Due to costs factors and the limited space inside the vehicle the amount realizable further countermeasures is limited. Thus the disturbances generated by and the coupling passes inside the traction system has to be considered in an early stage in the component development process. To investigate the impact of e.g. different usage scenarios on the energy efficiency and the EMI of an electric vehicle traction system a Power-HiL setup including the complete electric vehicle drive is used. Focussing on the energy efficiency investigations, the traction system is considered as an energy supply network consisting of energy sources and sinks. In order to simulate different electric vehicles and drives the Power-HiL setup is scaled, using method which can be adapted to other test setups. Using the scaled Power-HiL setup the impact of different electric drives, regenerative braking limitations, usage scenarios and the usage of energy intensive loads on the driving range of electric vehicles is comprehensively investigated. On the other hand the Power-HiL setup is used to investigate the EMI generated and the coupling paths inside an electric vehicle traction system. In the actual EMC standards the conducted emissions of a drive inverter are measured at the motor and the battery cables while the drive is operated in constant operation. However, inside the motor these conducted emissions are coupling via the bearings onto the drive’s shaft. The shaft is not shielded and represents a weak point of the actual shielding concept. As these shaft currents are not considered in the actual standard, they are comprehensively analyzed using the Power-HiL setup. Furthermore, a realistic drive scenario of an electric vehicle represents a dynamic operation of the traction system, which is not considered in the actual standards. In order to investigate the impact of a dynamic operation of the drive on the conducted emissions the Power-HiL setup is used. For analysing the emissions in dynamic operation a setup measuring the EMI in frequency domain in discrete time steps is used

SmartPIV: flow velocity estimates by smartphones for education and field studies

In this paper, a smartphone application is presented that was developed to lower the barrier to introduce particle image velocimetry (PIV) in lab courses. The first benefit is that a PIV system using smartphones and a continuous wave (cw-) laser is much cheaper than a conventional system and thus much more affordable for universities. The second benefit is that the design of the menus follows that of modern camera apps, which are intuitively used. Thus, the system is much less complex and costly than typical systems, and our experience showed that students have much less reservations to work with the system and to try different parameters. Last but not least the app can be applied in the field. The relative uncertainty was shown to be less than 8%, which is reasonable for quick velocity estimates. An analysis of the computational time necessary for the data evaluation showed that with the current implementation the app is capable of providing smooth live display vector fields of the flow. This might further increase the use of modern measurement techniques in industry and education

Emissionsverhalten von Elektrofahrzeugen im Ladebetrieb

Elektrofahrzeuge (EV) gewinnen immer mehr an Bedeutung und Akzeptanz, bedeuten aber hinsichtlich der technischen Anforderungen auch eine Reihe neuer Herausforderungen sowie Randbedingungen. So stellt der Ladevorgang eines EV einen völlig neuartigen Betriebszustand dar, der bei konventionellen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor keine Anwendung findet. Diese veränderte Situation muss auch hinsichtlich der Prüfungen der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) berücksichtigt werden. Dies bedeutet konkret, dass die EMV Prüfungen um die Teilprüfungen Emission sowie Störfestigkeit im Ladebetrieb zu erweitern sind. Hierbei kann es zu einem neuartigen und teils nicht vorherzusehendem Verhalten des gesamten Prüfaufbaus E-Fahrzeug mit Ladeleitung und Ladesäule (EVSE) kommen. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit einem Teilaspekt dieses Verhaltens im Falle einer Emissionsprüfung. Grundlage ist die Annahme, dass das EV mit der zugehörigen Ladeleitung einen induktiv-kapazitiven Schwingkreis darstellt, welcher unter gewissen Bedingungen angeregt werden kann. Die Induktivität wird hierbei durch die Ladeleitung abgebildet, der kapazitive Anteil begründet sich in der Kapazität der Fahrzeugkarosse gegenüber Erde. Die resultierende Resonanz dieses Schwingkreises kann im Emissionsspektrum des Aufbaus in Form einer Pegelüberhöhung sichtbar werden. Die Höhe der Ausprägung ist hierbei von den Randbedingungen abhängig. Des Weiteren muss entsprechend ein Signal auf der Ladeleitung vorherrschen, welches zur Anregung führt. Es werden eine Simulation des Frequenzverlaufs des Schwingkreises sowie mehrere reale Messungen des Gesamtsystems durchgeführt. Bei den Messungen kommen eine Fahrzeugnachbildung sowie zwei reale Fahrzeuge zum Einsatz. Das Resonanzverhalten der Anordnung wird hierbei über verschiedene Messungen (Streuparameter, Störstrommessung) gezeigt. Abschließend wird die Wahl des Untergrundes, die die Fahrzeugkapazität gegen Erde maßgeblich beeinflusst, untersucht. Hierbei wird zwischen zwei Szenarien unterschieden. Bei einem alltäglich auftretenden Ladevorgang ist davon auszugehen, dass der Untergrund aus Beton oder Ähnlichem besteht. Dies gilt sowohl für öffentliches Laden als auch die heimische Garage. Der Untergrund, wie der bei Emissionsprüfungen normativ festgelegt ist, ist hingegen strukturell völlig andersartig. So findet bei Emissionsmessungen nach CISPR25 ein metallischer Untergrund Verwendung. Es kann gezeigt werden, dass die Ausprägung der Resonanz des Schwingkreises im Spektrum eine Abhängigkeit vom Untergrund aufweist. Dieser wirkt auf den Kapazitätswert des Fahrzeuges gegen Erde und somit auf das Resonanzverhalten des gesamten schwingfähigen Systems

Herausforderungen bei der Umsetzung von EMV-Prüfungen an Fahrzeugen im Anwendungsfall High Power DC Charging – Prüfung bei 80% Ladeleistung

Die Verbreitung sowie Verfügbarkeit von Elektrofahrzeugen nimmt immer weiter zu. Um die Elektromobilität zum Erfolg zu führen sind mehrere Faktoren wichtig. Zum einen müssen die Elektrofahrzeuge hinsichtlich Ihrer Performance (Leistung, Reichweite, etc.) den Nutzer überzeugen. Darüber hinaus ist die Verfügbarkeit einer „komfortablen“ Lade-Infrastruktur unumgänglich. Hier spielt sowohl die Anzahl der installierten Ladesäulen als auch die verfügbare elektrische Ladeleistung und damit die notwendige Dauer eines ausreichenden Ladevorganges eine große Rolle. Zielsetzung ist es, ein Elektrofahrzeug in möglichst kurzer Zeit wieder aufzuladen. Als zu Grunde liegender Lösungsansatz hat sich hieraus das sogenannte High Power DC Charging [1] mit Ladeleistungen von bis zu 350 kW entwickelt. Diese Technologie bietet die Möglichkeit ein Elektrofahrzeug mit vertretbarem Zeitaufwand zu laden. Die beim High Power DC Laden auftretenden hohen Leistungen, respektive hohen Ströme und Spannungen, stellen jedoch für die Umsetzung einer EMV-Prüfung in eben diesem Betriebsmodus eine Herausforderung an Messequipment sowie Peripherie dar. Im folgenden soll der Anwendungsfall näher betrachtet werden, in dem das Elektrofahrzeug den Prüfling für die EMV-Prüfungen im Ladevorgang darstellt. Basierend auf den Vorgaben der in diesem Fall heranzuziehenden Normen [2], [3] ergibt sich folgender Systemaufbau. Dieser Aufbau stellt die Basis aller folgenden Betrachtungen und Überlegungen dar

Untersuchung der Kopplungseigenschaften der Antriebslager auf die Wellenströme in Antriebssystemen von Elektro- und Hybridfahrzeugen

Die zunehmende Einführung von elektrischen Antriebssystemen in Elektround Hybridfahrzeugen führt aktuell zu enormen Herausforderungen bezüglich der EMV Anforderungen dieser Fahrzeuge. Um diese elektrischen Antriebe, wie sie sonst eher im Industriebereich eingesetzt werden, effizient betreiben zu können, werden sie in aktuellen Elektrofahrzeugen bei Batteriespannung im Bereich von 400V betrieben. Im Antriebsumrichter wird aus der Batteriespannung ein frequenzvariables Drehstromsystem zum Betrieb des Drehstrommotors generiert. Hierzu wird die volle Batteriespannung mit sehr steilen Schaltflanken auf die Antriebswicklungen geschaltet. Zur Erhöhung des Systemwirkungsgrads des Antriebssystems ist es notwendig, dass die im Umrichter eingesetzten IGBTs möglichst schnell schalten, was sich allerdings nachteilig auf die Störaussendung der Komponente auswirkt. Aufgrund der deutlich höheren Bordnetzspannung erzeugen die im Antriebsbordnetz eingesetzten leistungselektronischen Komponenten im Vergleich zur klassischen Fahrzeug-EMV höhere Störaussendungen, die zur Sicherstellung der EMV beherrscht werden müssen. Aufgrund des begrenzten Platzangebots innerhalb des Fahrzeugs sind die möglichen Gegenmaßnahmen begrenzt. Zur Abschirmung des Antriebsbordnetzes vom Rest des Fahrzeugs wird dieses in der Regel als vollständig geschirmtes IT-Netz ausgeführt. Aufgrund dieser neuen Anforderungen werden aktuell alle EMV-Standards im Fahrzeugbereich mit Bezug auf die Komponenten des Antriebsbordnetzes überarbeitet. Die Komponententests des elektrischen Antriebsstrangs werden aktuell in neusten Draftversion der CISPR 25 [1] beschrieben. Der Test eines Antriebsumrichters beinhaltet die Messung des leitungsgeführten Störstroms auf der Antriebsund der Traktionsleitung und eine Messung der Störspannung an einer Netznachbildung auf der 12V und auf der HV-Seite. Problematisch ist hierbei die Antriebswelle der elektrischen Maschine, da diese nicht in die Systemschirmung integriert ist und somit Gleichtaktstörströme über die Antriebslager in andere Bereiche des Fahrzeugs überkoppeln können. Der Störstrom, der über die Lager auf die Antriebswelle auskoppelt, wird in der aktuellen Norm nicht berücksichtigt. Allerdings haben Messungen im Rahmen der Arbeit [2] gezeigt, dass der Wellenstrom bei einigen Frequenzen die Störstromgrenzwerte nach CISPR 25 überschreitet. Somit können auch diese Wellenströme einen signifikanten Einfluss auf die elektromagnetischen Eigenschaften der Fahrzeuge haben. Des Weiteren zeigte die Untersuchung in [2], dass sich die Wellenströme in Abhängigkeit von der Drehzahl des Antriebs ändern

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

Evidence for electronically-driven ferroelectricity in the family of strongly correlated dimerized BEDT-TTF molecular conductors

By applying measurements of the dielectric constants and relative length changes to the dimerized molecular conductor $\kappa$-(BEDT-TTF)$_2$Hg(SCN)$_2$Cl, we provide evidence for order-disorder type electronic ferroelectricity which is driven by charge order within the (BEDT-TTF)$_2$ dimers and stabilized by a coupling to the anions. According to our density functional theory calculations, this material is characterized by a moderate strength of dimerization. This system thus bridges the gap between strongly dimerized materials, often approximated as dimer-Mott systems at 1/2 filling, and non- or weakly dimerized systems at 1/4 filling exhibiting charge order. Our results indicate that intra-dimer charge degrees of freedom are of particular importance in correlated $\kappa$-(BEDT-TTF)$_2$X salts and can create novel states, such as electronically-driven multiferroicity or charge-order-induced quasi-1D spin liquids.Comment: 6 pages, 4 figures + Supplementary Information (8 pages, 8 figures