Untersuchung der Kopplungseigenschaften der Antriebslager auf die Wellenströme in Antriebssystemen von Elektro- und Hybridfahrzeugen

Abstract

Die zunehmende Einführung von elektrischen Antriebssystemen in Elektround Hybridfahrzeugen führt aktuell zu enormen Herausforderungen bezüglich der EMV Anforderungen dieser Fahrzeuge. Um diese elektrischen Antriebe, wie sie sonst eher im Industriebereich eingesetzt werden, effizient betreiben zu können, werden sie in aktuellen Elektrofahrzeugen bei Batteriespannung im Bereich von 400V betrieben. Im Antriebsumrichter wird aus der Batteriespannung ein frequenzvariables Drehstromsystem zum Betrieb des Drehstrommotors generiert. Hierzu wird die volle Batteriespannung mit sehr steilen Schaltflanken auf die Antriebswicklungen geschaltet. Zur Erhöhung des Systemwirkungsgrads des Antriebssystems ist es notwendig, dass die im Umrichter eingesetzten IGBTs möglichst schnell schalten, was sich allerdings nachteilig auf die Störaussendung der Komponente auswirkt. Aufgrund der deutlich höheren Bordnetzspannung erzeugen die im Antriebsbordnetz eingesetzten leistungselektronischen Komponenten im Vergleich zur klassischen Fahrzeug-EMV höhere Störaussendungen, die zur Sicherstellung der EMV beherrscht werden müssen. Aufgrund des begrenzten Platzangebots innerhalb des Fahrzeugs sind die möglichen Gegenmaßnahmen begrenzt. Zur Abschirmung des Antriebsbordnetzes vom Rest des Fahrzeugs wird dieses in der Regel als vollständig geschirmtes IT-Netz ausgeführt. Aufgrund dieser neuen Anforderungen werden aktuell alle EMV-Standards im Fahrzeugbereich mit Bezug auf die Komponenten des Antriebsbordnetzes überarbeitet. Die Komponententests des elektrischen Antriebsstrangs werden aktuell in neusten Draftversion der CISPR 25 [1] beschrieben. Der Test eines Antriebsumrichters beinhaltet die Messung des leitungsgeführten Störstroms auf der Antriebsund der Traktionsleitung und eine Messung der Störspannung an einer Netznachbildung auf der 12V und auf der HV-Seite. Problematisch ist hierbei die Antriebswelle der elektrischen Maschine, da diese nicht in die Systemschirmung integriert ist und somit Gleichtaktstörströme über die Antriebslager in andere Bereiche des Fahrzeugs überkoppeln können. Der Störstrom, der über die Lager auf die Antriebswelle auskoppelt, wird in der aktuellen Norm nicht berücksichtigt. Allerdings haben Messungen im Rahmen der Arbeit [2] gezeigt, dass der Wellenstrom bei einigen Frequenzen die Störstromgrenzwerte nach CISPR 25 überschreitet. Somit können auch diese Wellenströme einen signifikanten Einfluss auf die elektromagnetischen Eigenschaften der Fahrzeuge haben. Des Weiteren zeigte die Untersuchung in [2], dass sich die Wellenströme in Abhängigkeit von der Drehzahl des Antriebs ändern.