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ENTSTÖRFILTER IN DER E-MOBILITY

Posted by Szymon Pasko

Elektromagnetische Interferenzen: Kompakte stromkompensierte Drosseln reduzieren Störsignale bei 80 – 400 Ampere mit nur einem Magnetkern

Fahrzeuge mit elektrischen Antrieben werden immer beliebter: Nach aktuellen Zahlen des Medienunternehmens Bloomberg L.P. wurden 2017 weltweit bereits 1,1 Mio. neue E-Fahrzeuge verkauft – bis 2025 soll diese Zahl sogar auf 11 Mio. ansteigen. Aber besonders die elektronischen Komponenten dieser Fahrzeuge stellen viele Automobilhersteller vor neue Herausforderungen, denn zu starke elektromagnetische Interferenzen (EMI) können etwa zu einem Versagen elektronischer Bremssysteme führen. Um solche Interferenzen zu reduzieren und somit die sensiblen Komponenten zu schützen, werden deswegen Entstörfilter verwendet. Bisherige Filter benötigen dafür einen Stromschienenfilter mit bis zu 21 Ringkernen, wodurch das Gewicht der EMI-Filter ansteigt und sie wichtigen Platz im engen Antriebsstrang belegen. Daher hat die Schaffner EMV AG strom kompensierte Drosseln für Stromstärken von 80 – 400 A entwickelt, die bereits mit nur einem Kern die erforderliche EMI-Performance erbringen. Sie sind lediglich halb so schwer wie herkömmliche Lösungen und benötigen nur etwa ¼ des bisherigen Platzes. Dadurch lassen sie sich raumsparend in jedes Hybrid- oder E-Fahrzeug einbauen und schützen zuverlässig vor EMI.

Durch den Betrieb unter Hochleistung erzeugen elektrische Systeme in modernen E-Fahrzeugen elektromagnetische Interferenzen. So wird beispielsweise durch das schnelle Aufladen einer Batterie in kurzer Zeit ein hoher Energietransfer mit einer Stromstärke von bis zu 400 A durchgeführt. Auf diese Weise entstehen starke Störsignale, die zu Fehlfunktionen bei zahlreichen elektrischen Komponenten führen können – beispielsweise BMS (Batteriemanagementsysteme), elektronische Motorantriebssteuerungen, Sensoren und andere Sicherheitsfunktionen. „Damit Interferenzen auf ein ungefährliches Mass reduziert werden können, wurden bisher sperrige EMI-Filter benötigt“, berichtet Dr.  Szymon Pasko, R&D Lead Engineer bei der Schaffner EMV AG. „Doch gerade in modernen E-Fahrzeugen ist dafür oft kein Platz und das zusätzliche Gewicht führt zu einem erhöhten Energieverbrauch.“ Daher hat die Schaffner EMV AG stromkompensierte Drosseln entwickelt, die bereits mit einer einzigen hochkompakten Drossel die gleiche EMI-Einfügungsdämpfung wie traditionelle und platzraubende EMI-Filterlösungen erbringen.
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Schaffner bietet patentierte stromkompensierte Drosseln für den Bereich von 80 – 400 Ampere an. Sie überzeugen durch hohe Leistung, kompakte Bauform und ein gutes Thermalverhalten, um elektromagnetische Interferenzen zu filtern. 

Effizientes Design durch intelligentes Stromschienen-Design

Eine gewöhnliche Drossel besteht aus einem magnetischen Kern und zwei Spulen, die sich umeinander winden. Dabei ist die EMI-Reduktion einerseits von der Anzahl der Umwindungen um den Kern abhängig und andererseits von den magnetischen Eigenschaften des Kerns. Die grösste Herausforderung für einen EMI-Filter ist der Einsatz einer solchen Drossel für Anwendungen unter Hochstrom. Dort werden üblicherweise bei einer Stromstärke von 80 – 400 A Stromleiter mit einem hohen Querschnitt (32 mm2 – 160 mm2) verwendet, die jedoch nur schwierig um den magnetischen Kern gewickelt werden können. Bei bisherigen Ansätzen werden daher für Anwendungen im Hochstrombereich (beispielsweise 125 A) zwei Stromschienen durch einen Ringkern geführt und weisen damit theoretisch eine Umwindung auf.

„Um die notwendige Reduktion von EMI zu erreichen, wird bei diesem Ansatz eine große Anzahl an Ringkernen benötigt, weswegen wir nach einer Möglichkeit suchten, die Kupfermenge auf kleinem Raum zu erhöhen“, erläutert Pasko. „Dabei erkannten wir, dass man zwar auch die Stromleiter für den Filtereffekt nutzen könnte, doch deren bisherige Form keine platzsparende Anordnung um den Kern ermöglichte.“ Daher modifizierte Schaffner das Design der Stromleiter, um sie besser an den Magnetkern anlegen zu können.

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Für bisherige stromkompensierte Drosseln werden bis zu 21 Ringkerne benötigt, um bei 125 Ampere die elektromagnetischen Interferenzen zu filtern. Die kompakten, stromkompensierten Drosseln von Schaffner sind halb so schwer wie herkömmliche Drosseln und benötigen nur etwa ¼ des bisherigen Platzes. Dadurch lassen sie sich raumsparend in jedes Hybrid- oder E-Fahrzeug einbauen und minimieren zuverlässig Sicherheitsrisiken durch EMI.

Die neue stromkompensierte Drossel von Schaffner mit maximalen Abmessungen von 95 x 56 mm wiegt nur 1,2 kg. Sie ist für eine Temperatur von -55 C° bis +150 °C ausgelegt und ermöglicht dank des effizienten Designs einen Betrieb bis zu 400 A. „Hierfür nutzt sie zwar weiterhin einen Magnetkern mit einem Stromleiter, aber die äusseren Stromschienen winden sich nun um dieses Zentrum und erhöhen auf diese Weise die Filterfunktion“, erläutert Pasko. „Diese spezielle Anordnung führt zu einem ähnlichen Effekt wie bei einem gewöhnlichen Kupferdraht, doch auf diese Weise kann deutlich mehr Metall in einer einzigen stromkompensierten Drossel verwendet und somit eine bessere Filterleistung erzielt werden.“ Die bisherige Lösung mit bis zu 21 Ringkernen ist somit für eine zuverlässige Reduktion von elektromagnetischen Interferenzen nicht mehr notwendig.

Modulares Konzept und Pre-Sales-Service ermöglichen individuelle Anpassungen

Das Gehäuse der stromkompensierten Drossel ist modular aufgebaut, sodass sie auch an individuelle Anforderungen einfach angepasst werden kann. Dadurch stellt Schaffner die Leistung der Spulen bei einer Bandbreite unterschiedlichster Anwendungen sicher – von 10 kHz bis 100 MHz. „Wir beraten unsere Kunden im Vorfeld und empfehlen die geeigneten Materialien für das jeweilige Einsatzgebiet“, so Pasko. „Beispielsweise eignet sich ein Ringkern aus dem Ferritmaterial MnZn oder Nanokristallen für Anwendungen im kHz-Frequenzbereich, während ein Ferritmaterial bestehend aus NiZn im MHz-Frequenzbereich vorteilhafter ist.“ Auch ist die Verwendung anderer Metalle wie Aluminium oder die Verbindung verschiedener magnetischer Materialien möglich. Auf diese Weise garantieren die Experten für elektrische Systeme eine stets individualisierte Lösung für jede Anwendung im Bereich der E-Fahrzeuge.


VergleichIn diesem Bild wird die unterschiedliche Reduktion von elektromagnetischen Interferenzen eines Antriebsstrangs in Fahrzeugen dargestellt.

 

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