Niedrig

Anmerkung des Herausgebers: Die Leser könnten auch an Zhangs anderen Artikeln im In Compliance Magazine interessiert sein, die sich mit EMV-Problemen bei Elektrofahrzeugen befassen: „EMC Design Techniques for Electric Vehicle Powertrain Modules“ (Februar 2021) und „EMC Design Techniques for Electric Vehicle DC-DC Converters“. (Dezember 2021).

Die meisten elektromagnetischen Störungen (EMIs) im Feld sind leitungsgebundene Emissionen/Immunitäten, abgestrahlte Emissionen/Immunitäten, elektrische schnelle Transienten (EFT) und elektrostatische Entladungen (ESD). Es gibt jedoch auch andere Arten von EM-bedingten Störungen, einschließlich niederfrequenter Magnetfelder, die Gegenstand dieses Artikels sind.

Das Magnetfeld mit der Netzfrequenz (50–60 Hz) ist eine direkte Folge der in Stromnetzen fließenden Ströme. Wenn im gesamten Stromnetz niederfrequente Ströme fließen, können je nach Größe der Stromkreisschleife erhebliche Auswirkungen auf Geräte/Produkte in der Umgebung auftreten. Ein typischer Fall ist ein Gerät mit einem Kathodenstrahlröhrenbildschirm (CRT). Die Anzeige auf einem CRT-Bildschirm scheint aufgrund der Anwesenheit eines nahegelegenen niederfrequenten Feldes zu wackeln1. Auch professionelle Audiogeräte wie E-Gitarren, Tonbandgeräte und Lautsprecher reagieren empfindlich auf äußere Magnetfelder. EN 61000-4-8 definiert das Prüfverfahren für grundlegende netzfrequente Magnetfelder2.

In den letzten Jahren wurden viele Probleme mit niederfrequenten Magnetfeldern bei neuen Produktanwendungen festgestellt, beispielsweise bei Produkten, die Elektronenstrahltechnologie verwenden, und bei Elektrofahrzeugen (EVs). Produkte wie additive Fertigungsanlagen mit Elektronenstrahltechnologie reagieren ebenfalls empfindlich auf Magnetfelder im Netzfrequenzbereich, und eine schlechte Immunität könnte zu Ungenauigkeiten im Herstellungsprozess führen. Bei Elektrofahrzeugen erzeugen Fahrmotoren schwankende Ströme von bis zu 2 – 3 kHz, und drahtlose Energieübertragungssysteme (WPT) zum Laden von Batterien werden mit etwa 85 kHz3 betrieben.

Das Problem mit niederfrequenten Magnetfeldern hängt in diesem Fall oft mit Gesundheit und Sicherheit zusammen. Die Richtlinien 20204 der Internationalen Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP) beschreiben die potenziellen Auswirkungen auf die Gesundheit und Sicherheit der menschlichen Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern. Den Leitlinien zufolge umfassen die wichtigsten physiologischen Wirkungen der Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern die Elektrostimulation des Nervensystems, die dadurch entsteht, dass elektrische Felder in biologischen Geweben induziert werden, wenn sie zeitlich veränderlichen Magnetfeldern mit Frequenzen bis zu 10 MHz ausgesetzt werden.

Niederfrequente Magnetfelder können nicht nur gesundheitsgefährdend für den Menschen sein, sondern auch bestimmte elektrische Steuergeräte (ECUs) in einem Fahrzeug beeinträchtigen. Ein Steuergerät, das aus Hall-Effekt-Sensoren besteht und sich in der Nähe des Batteriepacks oder der Antriebsstrangmodule befindet, könnte durch das niederfrequente Magnetfeld beeinträchtigt werden, wenn keine ausreichende Abschirmung gewährleistet ist.

In diesem Artikel basiert die Diskussion niederfrequenter Magnetfelder auf Anwendungen, bei denen der Frequenzbereich unter 500 kHz liegt. Die Herausforderungen niederfrequenter Magnetfelder in EV-Anwendungen werden diskutiert. Niederfrequente elektrische Felder und ebene Wellen fallen nicht in den Rahmen dieses Artikels, ebenso wie niederfrequente Magnetfelder, die während des Ladevorgangs von Elektrofahrzeugen entstehen.

Zunächst sind einige grundlegende Theorien zu niederfrequenten Magnetfeldern angebracht.

Abschirmtechniken, die häufig für Strahlungsemissionen eingesetzt werden, sind effektiv, weil sie im Fernfeld funktionieren. Da die Wellenlänge physikalisch klein ist, kombiniert die Dämpfung eines Abschirmmaterials sowohl Absorptionsverlust als auch Reflexionsverlust5.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, schreiben die Gesetze der Physik vor, dass die Wellenlänge groß ist, wenn die Frequenz niedrig ist (900 kHz), sodass der gleiche Abstand für Rauschen mit niedrigerer Frequenz zum Nahfeld wird. In diesem Fall kann die Abschirmung keine ausreichende Reflexionsdämpfung bieten. Auch der Absorptionsverlust wird reduziert und liegt bei einer niedrigen Frequenz. Daher kann eine Abschirmung niederfrequenter Magnetfelder nur durch folgende Techniken erreicht werden:

Abbildung 1: Im Nahfeld können niederfrequente Geräusche nur absorbiert werden, aber auch der Absorptionsverlust wird reduziert.

Niederfrequente Magnetfelder werden häufig von den vier primären Hochspannungsmodulen in einem Elektrofahrzeug erzeugt, nämlich dem Antriebsstrangmodul, dem On-Board-Ladegerät (OBC), dem Batteriepaket und dem DC-DC-Modul.

Ein vereinfachtes Systemdiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. Zwischen dem HV-Batteriesatz und anderen HV-Lasten befindet sich häufig ein Hochspannungs-(HV)-Anschlusskasten. Zu Demonstrationszwecken sind der Anschlusskasten und andere Hochspannungslasten nicht dargestellt.

Abbildung 2: Ein vereinfachtes Systemdiagramm eines Batteriepakets, das einen Fahrmotor mit Strom versorgt

Wenn sich der Fahrmotor im Fahrmodus befindet (d. h. wenn sich der Motor im Reisemodus befindet), werden dem Batteriepaket Ströme entnommen. Beim Beschleunigen des Fahrzeugs können die Ströme ein viel höheres Niveau erreichen, da der Motor mehr Leistung benötigt. Wenn sich ein Elektrofahrzeug im Bremsmodus befindet, startet der Motor die Regeneration und große Strommengen werden zum Batteriepaket zurückgespeist. In diesem Fall bestimmen die Hochspannungsverkabelung und der Kabelbaum den Stromkreisbereich. Daher hängt das niederfrequente Magnetfeld von der Motordrehzahl, der Schaltfrequenz des Motorantriebs, seiner Betriebsart und der Impedanz der Kabel ab.

Die HV-Sammelschienenströme bestehen aus vielen Frequenzinhalten. Hier ist die Aufschlüsselung der Häufigkeitsinhalte:

Im Allgemeinen liegt es im Interesse eines Konstrukteurs, die Kabellänge zwischen dem Akku und der Motorantriebseinheit zu verkürzen. Jede zusätzliche Länge einer HV-Kabelverbindung bedeutet eine Erhöhung der Verluste (i2R) und ist daher nicht erwünscht. Das Fahrzeugdesign entscheidet jedoch häufig über die Anordnung von HV-Subsystemen. Wenn es um das gesamte Fahrzeugdesign geht, kann man mit Sicherheit sagen, dass Kompromisse zwischen Fahrzeugdesign und Sicherheit, Effizienz und thermischen Auswirkungen eingegangen werden müssen.

Wie bereits erwähnt, führen die zeitlich variierenden, vom Betriebsmodus abhängigen Traktionsströme zu sich schnell ändernden Magnetfeldern, die möglicherweise Hall-Effekt-Sensoren stören und eine Gefahr durch Elektrostimulation für menschliches Gewebe darstellen können.

Zur Prüfung gegen niederfrequente Magnetfelder werden Prüfnormen entwickelt. Das Ziel dieser Tests besteht darin, die Stärke der von einer Einheit erzeugten elektromagnetischen Felder zu begrenzen, um sicherzustellen, dass bei Tests auf Fahrzeugebene die in den ICNIRP-Richtlinien aufgeführten Referenzgrenzwerte für die menschliche Exposition eingehalten werden können. Sofern im genehmigten Testplan nicht anders angegeben, werden Tests oft im Frequenzbereich von 1 Hz bis 500 kHz mit einem 100 cm2 großen Dreiachsensensor durchgeführt, obwohl es beim Testaufbau zu Näherungsfehlern kommen kann7.

Da es sich bei Automobilanwendungen um ein Massenfertigungsgeschäft handelt, stehen die Kosten in der Entwurfsphase oft ganz oben auf der Liste. In dem in Abbildung 3 gezeigten Beispiel wird hochfester Stahl verwendet, um den 100-kHz-Geräusch abzuschirmen, der vom Fahrmotor erzeugt wird. Dieser Ansatz gilt als kostengünstige Lösung und hat auch den Vorteil, dass er mechanisch stabil ist, was von Vorteil ist Sicherheitsaspekt des Akkupacks. Es hat jedoch den Nachteil, dass es schwer ist, was für eine EV-Anwendung ein großer Nachteil sein könnte. Einer der Schwachpunkte moderner Elektrofahrzeuge ist ihre begrenzte Kilometerleistung, die durch eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts deutlich erhöht werden könnte.

Abbildung 3: Die von Fujifilm entwickelten Abschirmungen für niederfrequente Magnetfelder zeigten hervorragende Abschirmeigenschaften zwischen 100 kHz und 10 MHz. (Grafik mit freundlicher Genehmigung von Fujifilm)

Eine ähnliche Anwendung sind Elektroflugzeuge, bei denen das Gewicht noch wichtiger ist. Derzeit besteht die Lösung dort darin, Aluminiummaterial für den Akku zu verwenden. Aber auch Aluminium gilt als schwer, daher wird Kohlefaser-Verbundwerkstoff bevorzugt. Zur Abschirmung und zum Schutz vor Blitzeinschlägen müssen Lagen Kupferblech angebracht werden.

Es besteht ein großer Bedarf an besseren Materialien zur magnetischen Abschirmung niedriger Frequenzen, die höhere Abschirmeigenschaften aufweisen, leichtgewichtig sind und möglicherweise durch additive Fertigungsverfahren geformt werden können. Wie in Abbildung 3 dargestellt, haben einige neue Materialien in dieser Hinsicht großes Potenzial gezeigt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass es sich bei der Referenz um eine 115 µm dicke Kupferfolie und nicht um hochfesten Stahl handelt. Im Allgemeinen erreicht Stahl unterhalb von 100 kHz eine viel größere Dämpfung als Kupfer. Von 100 kHz bis 10 MHz ist Kupfer eine bessere Abschirmung als Stahl. Daher kann davon ausgegangen werden, dass dieses Material gut zur Abschirmung von Motorantrieben und DC-DC-Wandlern geeignet ist. Hinsichtlich der niedrigeren Frequenzleistung (1 Hz bis 100 kHz), wie beispielsweise der zuvor diskutierten Traktionsströme, gibt es noch ein Fragezeichen. Darüber hinaus sind auch die Kosten ein wichtiger zu berücksichtigender Faktor.

Aufgrund der begrenzten Möglichkeiten, niederfrequente Magnetfelder effektiv abzuschirmen, besteht ein besserer Ansatz darin, die Magnetfelder an ihrer Quelle zu kontrollieren und ihre Entstehung zu vermeiden oder zu minimieren8.

Magnetfelder hängen von der Schleifengröße und der Stromstärke ab. Da das aktuelle Niveau nicht reduziert werden kann, sollten Anstrengungen unternommen werden, um die Schleifengröße zu verringern. Die Reduzierung der Schleifengröße für niederfrequente Magnetfelder umfasst hauptsächlich:

Abbildung 4: Ein von Tesla entwickelter HV-Anschlusskasten (dargestellt in Abbildung 4a) demonstriert die kleine Stromschleife (Abbildung 4b). Ein anderer HV-Anschlusskasten verfügt aufgrund des Layouts des HV-Auftragnehmers über eine größere Stromschleife.

In diesem Artikel wurden niederfrequente Magnetfelder unter 500 kHz in EV-Anwendungen diskutiert. Die Abschirmfähigkeit niederfrequenter Magnetfelder ist durch physikalische Gesetze begrenzt. Dies führt dazu, dass den Konstrukteuren nur begrenzte Optionen zur Verfügung stehen.

Die Reduzierung der Größe der Magnetfeldschleife und die Verwendung fortschrittlicher Materialien sollten in der Fahrzeugkonstruktionsphase berücksichtigt werden. Aufgrund seiner überlegenen Dämpfung bei sehr niedrigen Frequenzen (<10 kHz) könnte Stahl immer noch eine bevorzugte Wahl für Fahrzeughersteller sein. Durch die Integration von Leistungsmodulen soll zudem das Risiko der Emission niederfrequenter Magnetfelder verringert werden. Für solche Anwendungen kann eine aktive Abschirmung verwendet werden, die jedoch weiterer Untersuchungen bedarf.

DesignElektrofahrzeugeHalb-EVlangsamfrequente MagnetfelderMin ZhangAbschirmung

Dr. Min Zhang ist Gründer und leitender EMV-Berater von Mach One Design Ltd, einem in Großbritannien ansässigen Ingenieurbüro, das sich auf EMV-Beratung, Fehlerbehebung und Schulung spezialisiert hat. Sein fundiertes Wissen in den Bereichen Leistungselektronik, digitale Elektronik, elektrische Maschinen und Produktdesign kommt Unternehmen weltweit zugute.

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