Einfluss der Kabelschirmung der Batterie- und Motorkabel eines Traktionsinverters auf die Störspannung an der Bordnetznachbildung

Der elektrische Antriebstrang eines Elektrofahrzeuges (EF) besteht heute typischerweise aus einer HV-Batterie, einem Inverter und einer elektrischen Maschine. Im Inverter wird dabei mit Hilfe von Leistungshalbleitern die Batteriegleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom gewandelt, um die elektrische Maschine anzutreiben. Schnelle Schaltzeiten bei der Wandlung gewährleisten einen hohen Wirkungsgrad und vermeiden eine Überhitzung der Leistungshalbleiter. Aufgrund des hohen Störpotenzials dieser Schalthandlungen werden nach dem Stand der Technik geschirmte Hochvoltkabel für die Batterieund Motorkabel des elektrischen Antriebsstrangs eingesetzt. Diese Schirmung ist bei vielen Systemen notwendig, um die vom Automobilhersteller geforderten Grenzwerte für gestrahlte Störemissionen einzuhalten. Nachteile des Kabelschirms sind ein hohes Gewicht, hohe Kosten und strenge Anforderungen an die Alterung der Kabelstecker. Eine mögliche Alternative zur Schirmung ist eine aufwändige Filterung der leitungsgebundenen Störung, die zumindest Vorteile beim Gewicht und den Anforderungen an die Stecker verspricht. Dieser Beitrag beschäftigt sich damit, wie die Schirmung der Hochvoltkabel die Störströme auf den Batterieleitungen und die Störspannung an der Bordnetznachbildung beeinflusst. Dazu wird bei einen bestehenden Testaufbau untersucht, wie Gleichtakt und Gegentaktstörungen im Antriebsstrang entstehen und wie diese anhand einfacher Simulationsmodelle nachgebildet werden können. Während des Betriebs des Inverters werden für ein System mit geschirmten und für ein System mit ungeschirmten Hochvoltkabel die Störspannungen an der Bordnetznachbildung (BNN) gemessen und mittels der vorgestellten Simulationen im Frequenzbereich von 150 kHz bis 110 MHz erklärt

Einfluss der Kabelschirmung der Batterie- und Motorkabel eines Traktionsinverters auf die Störspannung an der Bordnetznachbildung

Der elektrische Antriebstrang eines Elektrofahrzeuges (EF) besteht heute typischerweise aus einer HV-Batterie, einem Inverter und einer elektrischen Maschine. Im Inverter wird dabei mit Hilfe von Leistungshalbleitern die Batteriegleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom gewandelt, um die elektrische Maschine anzutreiben. Schnelle Schaltzeiten bei der Wandlung gewährleisten einen hohen Wirkungsgrad und vermeiden eine Überhitzung der Leistungshalbleiter. Aufgrund des hohen Störpotenzials dieser Schalthandlungen werden nach dem Stand der Technik geschirmte Hochvoltkabel für die Batterieund Motorkabel des elektrischen Antriebsstrangs eingesetzt. Diese Schirmung ist bei vielen Systemen notwendig, um die vom Automobilhersteller geforderten Grenzwerte für gestrahlte Störemissionen einzuhalten. Nachteile des Kabelschirms sind ein hohes Gewicht, hohe Kosten und strenge Anforderungen an die Alterung der Kabelstecker. Eine mögliche Alternative zur Schirmung ist eine aufwändige Filterung der leitungsgebundenen Störung, die zumindest Vorteile beim Gewicht und den Anforderungen an die Stecker verspricht. Dieser Beitrag beschäftigt sich damit, wie die Schirmung der Hochvoltkabel die Störströme auf den Batterieleitungen und die Störspannung an der Bordnetznachbildung beeinflusst. Dazu wird bei einen bestehenden Testaufbau untersucht, wie Gleichtakt und Gegentaktstörungen im Antriebsstrang entstehen und wie diese anhand einfacher Simulationsmodelle nachgebildet werden können. Während des Betriebs des Inverters werden für ein System mit geschirmten und für ein System mit ungeschirmten Hochvoltkabel die Störspannungen an der Bordnetznachbildung (BNN) gemessen und mittels der vorgestellten Simulationen im Frequenzbereich von 150 kHz bis 110 MHz erklärt

Vergleich der leitungsgebundenen Störemissionen und des Wirkungsgrads von Silizium IGBTs mit Siliziumkarbit MOSFETs als Leistungsschalter in Traktionsinvertern

Bei der Elektromobilität entwickeln sich die Reichweite und der Preis des Fahrzeuges zu einer der Schlüsselrollen. Dies hat direkte Auswirkungen auf alle Komponenten des elektrischen Antriebstrangs eines Elektrofahrzeuges (EF). Beim Inverter, der im EF zur Wandlung der Batteriegleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom genutzt wird, um die elektrische Maschine anzutreiben, sind daher ein hoher Wirkungsgrad und geringe Gesamtkosten erstrebenswert. Inverter heutiger EFs basieren typischerweise auf Silizium (Si) Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT). Der Wirkungsgrad dieser Inverter wird meist zwischen 90% und 95% angegeben. Dieser Wirkungsgrad wird jedoch nur im Nennbetriebspunkt des Inverters erreicht. Vor allem im Teillastbetrieb des Inverters verringert sich sein Wirkungsgrad stark. Durch Verwendung von Metall Oxid Feldeffekttransistoren (MOSFET) aus neuen Halbleitermaterialien wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) kann sowohl für den Nennbetriebspunkt als auch im Teillastbereich der Wirkungsgrad des Inverters nennenswert erhöht werden. Dies wird zum einen durch schnellere Schaltzeiten und damit einhergehende geringere Schaltverluste und zum anderen durch geringere Durchlassverluste der Leistungsschalter erreicht. Zusätzlich ermöglicht ein Inverter basierend auf SiC-MOSFETs eine schnellere Taktfrequenz, höhere Betriebsspannungen und weitere Vorteile, wie beispielsweise beim Thermomanagement. Diesen Vorteilen bei Verwendung von SiC-MOSFETs stehen größere leitungsgebunden als auch feldgebunden Emissionen des Inverters gegenüber [1]. In diesem Beitrag soll untersucht werden, wie stark die leitungsgebundenen Störungen eines Inverters beeinflusst werden, wenn Si-IGBTs durch SiC-MOSFETs ersetzt werden. Dazu wird ebenfalls untersucht, in wieweit Veränderungen von Systemgrößen, wie beispielsweise eine Erhöhung der Taktfrequenz und der Batteriespannung, den Wirkungsgrad und die leitungsgebundenen Emissionen des Inverters beeinflussen

Optimized tunable Alvarez-Lohmann-lenses

In the late 1960s Alvarez and Lohmann independently suggested cubic phase plates as varifocal elements. A variety of different theoretical as well as experimental approaches have been discussed since. Today compact tunable optics is of specific interest e.g. in miniaturized optical systems. Recently developed fabrication technologies like diamond turning or milling nowadays enable the fabrication of higher order freeform surface profiles as implementation of efficient phase plates for an optimization of the imaging properties. We present a non-paraxial analysis of the imaging behavior of diffractive, refractive and hybrid Alvarez-Lohmann lenses with increased numerical aperture. Our analysis includes the influence of lateral focus shifts as well as monochromatic and polychromatic aberrations over the tuning range. Experimental results with phase plates fabricated by diamond milling and lithographic techniques will be presented

Chromatic aberration theory in modern metrology

Hyperchromatic systems are especially used in chromatic confocal metrology to measure distances, layer thicknesses, and object surfaces. The correction of the spherical aberration for all wavelengths is an essential requirement for the design of such systems. We present general techniques for the methodical design of hyperchromatic systems with large longitudinal chromatic aberration. The proposed techniques are applied to design a contact-free wall thickness measuring device. Large tilting angles of up to 20° in combination with an extra long measuring range of 18mm and a minimum working distance of 35mm require a high speed optical system. We discuss the problems arising during the design of a system that realizes high lateral resolution within the whole measuring range. Furthermore we demonstrate the optimization of optical systems which image different wavelengths onto different image planes

Novel vision aids for people suffering from Age-Related Macular Degeneration

Degeneration (AMD), a disease that causes progressive damage to the central part of the retina. People suffering from AMD usually experience growing dark or blurred spots in the center of their vision which render them unable to read texts, to drive cars, or to recognise faces. Current vision aids for AMD patients are mainly based on the magnification and/or the redirection of the full field of view which will inevitably result in a loss of information at the outer parts of the field of view. In contrast, we present different optical principles for the redirection of the central part of the field while the loss of information at the boarders is kept to a minimum. Our focus is on highly integrated, nonelectric, spectacle-like systems. Possible principles include the field dependent displacement and magnification/reduction of the object information as well as a deliberately induced distortion. Our contribution includes the mathematical and optical modelling of the imaging setup, numerical simulations as well as the presentation of first experimental results

Integrated hybrid GRIN lenses

The use of microsystems technology for the manufacturing of integrated on-wafer optical systems often leads to shape restrictions of the optical surfaces. To achieve full performance in integrated free-space optical systems, light propagation has to be controlled in two directions: In the plane of the wafer and perpendicular to it. We present novel hybrid gradient index (GRIN) elements that allow for independent control of the optical function in these two directions. A functional GRIN layer structure for beam shaping perpendicular to the wafer plane is realized by a parameter variation of a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) of silicon oxynitride. The optical functionality in the wafer plane can be achieved by a deep reactive ion etching process. The etched sidewalls in this case act as refractive or diffractive optical surfaces. Our work includes the discussion of this new hybrid concept, simulations, manufacturing as well as first experimental results