Einsatz von handelsüblichen EMI-Filtern zur Vereinfachung der Konformität von Antriebssträngen in Elektrofahrzeugen

Moderne Elektrofahrzeuge (EVs) verwenden 25 oder mehr Prozessoren, um verschiedene Aspekte ihres Betriebs zu steuern, von kritischen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) bis hin zu weniger wichtigen fahrzeuginternen Netzwerk- und Unterhaltungssystemen. Bei einer so großen Anzahl elektronischer Systeme auf engem Raum müssen sich die Entwickler mit der Zertifizierung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und dem Risiko elektromagnetischer Störungen (EMI) auseinandersetzen. Eine wichtige EMI-Quelle ist das Stromversorgungssystem des Fahrzeugs, das Gleichstrom aus den Fahrzeugbatterien in hohe Spannungen und Ströme umwandelt, die zum Antrieb der Elektromotoren verwendet werden.

Das Herzstück des Stromversorgungssystems des Fahrzeugs ist der Wechselrichter, der mit Hilfe von Schalt-Halbleitern Gleichstrom in Wellenformen für den Motorantrieb umwandelt. Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeiten des Wechselrichters kann er EMI erzeugen, entweder durch die Stromleitungen geleitet oder abgestrahlt. Folglich ist die EMV-Zertifizierung eines der hartnäckigsten Hindernisse bei der Entwicklung von EV-Antriebssträngen.

Standardmäßige, handelsübliche EMI-Filter

Um die EMV-Zertifizierung zu erleichtern, hat TDK die leistungsstarken EMI-Filter CarXield für EVs eingeführt. Diese Filter bieten ein vollständig validiertes, kosteneffizientes Standarddesign, das die Notwendigkeit einer internen Entwicklung und anschließenden Qualifizierung reduziert.

In der Praxis passt der CarXield-Filter zwischen den abgeschirmten Wechselrichter und die Batterie (Abbildung 1, unten). Der Motor ist durch einen Gleichtakt-Ringkern vom Umrichter getrennt (Abbildung 1, oben und unten). Im Gehäuse des Umrichterschirms sind die positiven und negativen Busse über einen Kondensator in Reihe mit einem Dämpfungswiderstand zum Schirm überbrückt.

Abbildung 1: Der CarXield-Filter wird zwischen dem abgeschirmten Wechselrichter und der Batterie platziert, und ein Gleichtakt-Ringkern wird zwischen dem Wechselrichter und dem Motor eingefügt. (Bildquelle: TDK Electronics)

Die CarXield-Filter unterdrücken effektiv Wechselrichter-Interferenzen mit der Batterie, verbessern die EMI-Leistung des Antriebsstrangs des Fahrzeugs und vereinfachen die Einhaltung von Vorschriften und die Zertifizierung für Elektrofahrzeuge der Mittelklasse.

CarXield-Filterdesign

Der CarXield ist ein dreistufiger Filter, der aus Gleichtaktdrosseln sowie X- und Y-Kondensatoren besteht (Abbildung 2). Die Gleichtaktdrosseln (auch stromkompensierte Drosseln genannt) unterdrücken Gleichtaktstörungen. X-Kondensatoren sind zwischen den Leistungsbussen angeschlossen, um Differenzsignalstörungen zu reduzieren, während Y-Kondensatoren zwischen jedem Bus und der Erde angeschlossen sind, um Gleichtaktstörungen zu unterdrücken.

Abbildung 2: Der dreistufige CarXield-Filter umfasst Gleichtaktinduktivitäten und Y-Kondensatoren zur Reduzierung von Gleichtaktstörungen und Rauschen sowie X-Kondensatoren zur Minimierung von Differenzsignalstörungen. (Bildquelle: TDK Electronics)

Die Drosseln basieren auf nanokristalliner Kerntechnologie, die eine hervorragende Abschirmperformance und geringe Leistungsverluste gewährleistet. Das Design umfasst einen passiven Entladeschaltkreis, um die gespeicherte Spannung im ausgeschalteten Zustand sicher zu reduzieren.

Die CarXield-Filter, die für den Einbau in ein Gehäuse konzipiert sind, befinden sich in einem kompakten Metallgehäuse mit einer Kunststoffabdeckung und haben die Maße 5,5 × 2,3 × 1,97 Zoll (140 × 59 × 50,0 Millimeter). Sie sind mit integrierten Stromschienen (Abbildung 3, links) oder ohne (Abbildung 3, rechts) erhältlich.

Abbildung 3: Die CarXield-Filter sind in einem Metallgehäuse mit Kunststoffabdeckung mit (links) oder ohne (rechts) integrierte Stromschienen untergebracht. (Bildquelle: TDK Electronics)

Die Stromschienen werden von oben mit vier Schrauben befestigt. Mehrere Erdungslaschen unterstützen eine hervorragende Erdung.

Die Filter sind für 500- und 1000-Volt-Systeme geeignet. Beispielsweise ist der Netzfilter B84252A0200A000 ein Gleichstrom-Bauteil für den Dauerbetrieb mit 500 Volt und 200 Ampere (A) bei 85 °C. Er kann Spitzenströmen von 350 A für bis zu 60 Sekunden (s) und 600 A für 10 s standhalten.

Der B84252B0400A000 ist für 1000 Volt und einen Dauerstrom von 400 A bei 85°C ausgelegt. Er kann Spitzenströmen von 650 A für 60 s oder 1000 A für bis zu 10 s standhalten.

Beide Filter haben Stromschienen und sind für einen Umgebungstemperaturbereich von -40 bis 85°C ausgelegt. Die ohmsche Selbsterwärmung unter Last wird durch einen typischen DC-Widerstand (DCR) von nur 0,1 Milliohm (mΩ) minimiert.

Filterleistung

Die Wirksamkeit des Filters wird anhand der Einfügungsdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen, die als Dämpfung in Dezibel über der Frequenz aufgetragen wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Abbildung zeigt einen Vergleich der Einfügedämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz für die Filter B84252A0200A000 und B84252B0400A000. (Bildquelle: TDK Electronics)

Die beiden Filter B84252A0200A000 und B84252B0400A000 weisen ähnliche Eigenschaften bezüglich der Einfügedämpfung auf, mit einer geringen Dämpfung zwischen 10 und 100 Kilohertz (kHz). Die Dämpfung nimmt bei Frequenzen über 1 Megahertz (MHz) deutlich zu.

Die CarXield-Filterserie erfüllt die Zuverlässigkeits- und Haltbarkeitsstandards der Automobilindustrie. Die Filter sind nach AEC-Q200 zertifiziert und wurden anhand der MBN-LV-124-Profile validiert. Diese Zertifizierungen verkürzen die Entwicklungszeit und verringern die Designrisiken im Vergleich zu internen Designs.

Fazit

EMI ist ein Hindernis für die EMV-Zertifizierung im EV-Design. Die CarXield-Filterserie von TDK unterdrückt EMI. Ihr leistungsstarkes, standardisiertes Design und ihr Gehäuse erfüllen die Anforderungen mittelgroßer Elektrofahrzeuge. Darüber hinaus bieten diese Filter flexible Gehäuseoptionen mit einer Option für Sammelschienen.