Umfassende Tests von Hochvolt-Elektroantrieben
Zahlreiche innovative Messverfahren und Messkabinen helfen den Ingenieuren von Mooser dabei, elektromagnetische Störungen in Hochvolt-Bordnetzen sicher zu detektieren und zu beseitigen.
Moderne Elektroautos verfügen über leistungsstarke elektrische Antriebe für gute Fahrleistungen. Die dafür erforderlichen hohen Betriebsspannungen beeinflussen allerdings das EMV-Verhalten der Elektronikkomponenten und Hochvoltkabel negativ. Unternehmensgründer Jakob Mooser sah früh in moderner Hochvolt-Messtechnik den Schlüssel für die elektromagnetische Verträglichkeit von Elektrofahrzeugen.
Hochvolt-Antriebstechnik im Automobil
Mit dem Begriff „Hochvolt“ wird in der Fahrzeugtechnik eine elektrische Spannungsebene bezeichnet, die zwischen 30 und 1000 Volt (bei Wechselstrom) und 60 bis 1500 Volt (bei Gleichstrom) liegt. Ab 30 beziehungsweise 60 Volt besteht beim Berühren spannungsführender Teile eine gesundheitliche Gefährdung. Unterhalb dieser Grenzen spricht man von Niedervolt-Systemen.
Eine spezielle Kennung von Hochvolt-Systemen im Fahrzeug verdeutlicht das Gefahrenpotenzial. Optisch sind Leitungen und Verbindungskomponenten von Hochvolt-Systemen durch ihre orangene Farbe sofort sichtbar. Am Energiespeicher (Batterie) symbolisiert ein gelbes Dreieck mit schwarzem Blitz und Rahmen das Gefahrenpotenzial.
Unterschiedliche Spannungen
Hochvolt-Antriebe in batterieelektrischen Fahrzeugen operieren aktuell meist mit einer Spannung von etwa 400 Volt. Zunehmend nutzen moderne Elektrofahrzeuge aber auch eine Spannung von 800 Volt. Vereinzelt sind bei Klein- und Kleinstwagen auch geringere Spannungslevel (zum Beispiel 48 Volt) gebräuchlich.
Der wesentliche Vorteil der höheren Spannung besteht darin, dass für die gleiche elektrische Leistung eine geringere Stromstärke erforderlich ist. Wird die Spannung beispielsweise verdoppelt, genügt die halbe Stromstärke. So werden höhere Fahr- und Ladeleistungen leichter realisiert, denn hohe Ströme lassen sich nur schwer handhaben. Weitere Vorteile bei einer hohen Betriebsspannung sind dünnere Kabel mit geringerer Leiterquerschnittsfläche, was Material, Gewicht, Kühlung (Energie), Komplexität und Kosten spart.
Neben unmittelbaren Antriebskomponenten wie Batterien, E-Motoren, Invertern oder Brennstoffzellen sind im Fahrzeug noch weitere Systeme an das Hochvolt-Bordnetz angeschlossen. Etwa die elektrisch unterstützte Lenkung, elektrische Heizer und Lüfter, die Klimaanlage, DC/DC-Spannungswandler, Onboard-Ladegeräte oder auch kontaktlose Energie-Übertragungssysteme.
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Hochvolt-Antriebstechnik und Batterie
Hochvolt-Systeme haben aber einen gravierenden Nachteil: Sie senden wesentlich höhere elektrische Störungen aus und erzeugen stärkere Magnetfelder als Systeme mit niedriger Spannung. Die Störfelder können im Automobil andere elektronische Systeme, etwa zur Fahrerassistenz oder für das automatisierte Fahren, die elektrisch unterstützte Lenkung und den Radio- und Telefonempfang empfindlich beeinträchtigen. Außerdem können elektromagnetische Störungen auch Personen in ihrer Nähe schädigen.
Deshalb ist es wichtig, dass Hochvolt-Systeme besonders konstruiert und geschirmt werden, damit elektromagnetische Störungen nicht in die Umgebung austreten. Das im Vergleich zu Niedervolt-Systemen höhere Störpotenzial von Hochvolt-Systemen dokumentieren wir mit moderner Messtechnik und senken es gezielt in weiteren Entwicklungsschleifen. Schon vor etwa 15 Jahren hat Mooser als erstes EMV-Labor sich Gedanken gemacht, wie elektrische Antriebe mit hoher Leistung und hoher Betriebsspannung zu testen sind. Ein Ergebnis dieser Überlegungen war 2008 die erste eCHAMBER®, ein neues Prüfstandkonzept speziell für Hochvolt-Elektroantriebe und elektrisch angetriebene Nebenaggregate, das diese Störungen zuverlässig und gründlich aufspürt.
Die eCHAMBER® setzt Maßstäbe durch Antriebskonzept, Messmethoden und Messpräzision. Generell werden in der eCHAMBER® EMV-Tests an E-Motoren, Invertern, Getrieben, Kupplungen, Hybridgetrieben, Abtriebswellen und Achsen durchgeführt. Diese Komponenten lassen sich einzeln oder im Verbund bei variablen Drehzahlen und Drehmomenten auf EMV-Aspekte testen. Eine installierte Antriebs- und Bremsleistung von bis zu 250 Kilowatt, Spannungen von maximal 1000 Volt und Stromstärken von bis zu 500 Ampere erfüllen die Erwartungen der Anwender. Damit werden Antriebsstränge bis zu 500 Kilowatt Spitzenleistung untersucht. Für E-Antriebe in Omnibussen und Trucks haben wir eine eCHAMBER® mit noch größeren Abmessungen (Prüflinge bis 1000 Kilogramm) entwickelt.
Messung der Batterie
Auch die Batterie für den elektrischen Antrieb prüfen wir in vielen Details. Für die EMV-Messung gibt es unterschiedliche Messnormen wie etwa ISO 11452-…, ISO 7637-4, LV123, CISPR 25 und OEM-Spezifikationen. Darüber hinaus werden elektrische Tests wie HV/LV-Kopplung, Störfestigkeit, Restwechselspannung, etc. durchgeführt. Alle Messungen sind im Lade- und Entladezustand der Batterie zu bewerten, außerdem muss der Messaufbau realitätsnah sein, damit die Ergebnisse wie im Fahrzeug zustande kommen. Dafür simulieren wir die fahrzeugspezifische Umgebung der Batterie.
Hochvolt-Messverfahren und Prüfnormen
Mooser nutzt zur EMV-Bestimmung bei Hochvolt-Systemen unterschiedliche Messverfahren, die überwiegend in international gültigen Regelwerken beschrieben und anerkannt, oder von den Automobilherstellern selbst definiert worden sind. Hier eine Aufzählung der wichtigsten Messnormen und Verfahren, die eingesetzt werden:
dazu zählen:
- “Voltage transient emissions test along high voltage supply lines”
- “Transient immunity test for pulsed sinusoidal disturbances pulse A”
- “Transient immunity test set-up for low frequency sinusoidal disturbances pulse B”.
- Untersuchungen von Kopplungen von Hochvolt- in Niedervolt-Elektroarchitekturen
- Störaussendung von Komponenten und Fahrzeugen.
und OEM-Spezifikationen für:
- Spannungswelligkeit
- Spannungsdynamik
- Spannungsübergänge.
für die Überprüfung von:
- Personenschutzwerten
(Fast-Fourier-Technik)
- Dieses Verfahren misst schnell große Messbereiche und spart Zeit und Geld.
- Technische Magnetfelder Störfestigkeit.
Messverfahren oft selbst entwickelt
Einige Messverfahren im Hochvolt-Bereich haben wir selbst entwickelt. Sehr große Bedeutung haben inzwischen Messungen von hochfrequenten Störungen auf Motorwellen sowie für die Kopplung von hochfrequenten Inverterstörungen durch den Motor und durch das mechanische Getriebe bis in die Achsen erlangt. Mooser kann diese Störungen vom Inverter durch den Motor und das Getriebe sogar ohne physischen Inverter simulieren, was viel Entwicklungsaufwand und Zeit spart und die Güte der EMV-Maßnahmen schon in einem sehr frühen Entwicklungsstadium entscheidend verbessert. Außerdem werden in den Mooser-Messkabinen Kopplungen von Hochvolt- in Niedervolt-Elektroarchitekturen untersucht, die entweder durch physischen Kontakt oder in Form eines Strahlenfeldes weitergeleitet werden.
Bei der Testplanung profitieren unsere Ingenieure auch von der jahrzehntelangen Mitarbeit in nationalen und internationalen Normengremien. Die Initiative für die Hochvolt-Normen CISPR 25-4 und ISO/TS 7637-4 wurde durch uns angeregt und stark beeinflusst. Mit der Entwicklung der eCHAMBER® hat Mooser 2008 auch die Normung initiiert, ebenso die Normung für die Chamber-Validierung nach der Langdrahtmethode. Die meisten Grundlagenmessungen für all diese Normen sind in unserem Labor in Ludwigsburg durchgeführt worden.
Hochvolt-Prüfplanung und Prüfvorbereitung
Entscheidend ist aber nicht nur eine moderne Messtechnik, sondern auch die richtige Prüfplanung und Prüfvorbereitung. Sowie ein Aufbau, der die Bedingungen des Systems möglichst realitätsnah nachbildet. Ein fehlerhafter Prüfaufbau kann ohne weiteres zu Fehlergebnissen von 20 bis 30 dB führen.
Messkabinen mit moderner Ausstattung
Unser umfangreiches Messportfolio für Hochvolt-Technik basiert auf einer Prüfstands-Landschaft, die fast alle Kundenanforderungen erfüllt. Am Standort Ludwigsburg verfügt Mooser über vier eCHAMBER® und zehn weitere Absorberkabinen. Die eCHAMBER® ist technisch gesehen ebenfalls eine Absorberkabine, aber mit der speziellen Adaption für die Antriebs- und Bremseinheit von Elektroantrieben. Jede eCHAMBER® und jede Absorberkabine verfügen über eine komplette EMV-Messtechnik mit Leistungsverstärker für hohe Feldstärken und eine Flüssigkeitskühlung für die Prüflinge.
Am Standort Egling südlich von München betreibt Mooser zwei weitere Absorberkabinen für Hochvolt-Messungen und zwei Absorberkabinen für normale CISPR/ISO Messungen. Jede dieser Kabinen ist nach der CISPR25-4 Langdrahtmethode und dem Chambervalidierungs-Verfahren qualifiziert.
Hochvolt-Messungen von minus 45 bis plus 185 Grad Celsius
Ergänzend verfügt Mooser über einen Messplatz mit Temperaturschrank für elektrische Tests an Hochvolt-Komponenten. Dort führen wir elektrische Tests wie Micro Cuts, Restwechselspannung, Ground shift, etc. durch. Der Schrank hat ein Volumen von einem Kubikmeter und realisiert Temperaturen von minus 45 bis plus 185 Grad Celsius. Eine solche Einrichtung gibt es derzeit kein zweites Mal in einem EMV-Labor. Sowohl am Standort Egling, als auch in Ludwigsburg wird der Anteil an Hochvolt-Tests durch den Zuwachs an Elektromobilität in Zukunft stark zunehmen.
Kundenmehrwert durch Messtechnik und Personal
Jeder Kunde, der seine Hochvolt-Komponenten bei uns testen lässt, kann sich auf ein umfassendes und zertifiziertes Leistungs- und Qualitätsniveau verlassen. So verfügt Mooser über umfassendes und topmodernes Messequipment für jede Aufgabenstellung bezüglich Hochvolt-Applikationen in Straßenfahrzeugen. Aber nicht nur dort: auch für Hochvolt-Tests für Schienenfahrzeuge, Flugzeuge und für Militärtechnik hat die Messtechnik von Mooser ihre Leistungsfähigkeit und Flexibilität bereits unter Beweis gestellt.
Diese Technik wird von erfahrenen Ingenieuren bedient, die teilweise jahrzehntelange Erfahrung mit EMV-Aspekten und Hochvolt-Technik haben und die schon viele hunderte Projekte erfolgreich durchgeführt haben. Besonders schätzen unsere Kunden, dass ein Mooser-Mitarbeiter die Hochvolt-Projekte vom Anfang bis zum Ende als verantwortlicher Ansprechpartner begleitet. Für diese Aufgabe kommen nur Mitarbeiter in Frage, die eine spezielle Hochvolt-Sicherheitsschulung absolviert haben, da wir dem Schutz der Mitarbeiter, der Kunden und der Technik höchste Priorität einräumen. Denn Arbeitssicherheit ist extrem wichtig! Betriebsspannungen von 300, 400 oder 800 Volt können tödlich sein. Ein Großteil unserer Mitarbeiter hat bereits diese Hochvolt-Sicherheitsschulung vom TÜV Saarland erhalten und es werden immer mehr.
Häufig gestellte Fragen
Bei Systemen und Bauteilen, die im Auto mit mehr als 30 Volt Wechselstrom oder 60 Volt Gleichstrom betrieben werden, spricht der Fachmann von Hochvolt (HV)-Systemen. Für Wartungsarbeiten an diesen Fahrzeugen benötigen die Mitarbeiter in Kfz-Werkstätten eine Zusatzausbildung. Wartungsarbeiten sind in diesem Zusammenhang alle Arbeiten wie etwa das Spannungsfreischalten des HV-Systems, der Austausch einzelner HV-Komponenten oder Arbeiten an spannungsfreien HV-Bauteilen. Unterschiedliche Organisationen und Unternehmen bieten Kurse für die Arbeiten an HV-Systemen an. Der Begriff Hochvolt ist nicht mit dem Begriff Hochspannung aus der elektrischen Energietechnik zu verwechseln.
Neben unmittelbaren Antriebskomponenten wie Batterien, E-Motoren, Invertern oder Brennstoffzellen sind im Fahrzeug noch weitere Systeme an das Hochvolt-Bordnetz angeschlossen. Etwa die elektrisch unterstützte Lenkung, elektrische Heizer und Lüfter, die Klimaanlage, DC/DC-Spannungswandler, Onboard-Ladegeräte oder auch kontaktlose Energieübertragungssysteme.
Hochvolt-Antriebe in batterieelektrischen Fahrzeugen operieren aktuell meist mit einer Spannung von etwa 400 Volt. Zunehmend nutzen moderne Elektrofahrzeuge eine Spannung von 800 Volt. Vereinzelt sind bei Klein- und Kleinstwagen auch geringere Spannungslevel (zum Beispiel 48 Volt) gebräuchlich.
