Grundlegende Untersuchungen von Elektrofahrzeugen im Bezug auf Energieeffizienz und EMV mit einer skalierbaren Power-HiL-Umgebung
Die Elektromobilität ist als ein Teil der Energiewende eines der aktuellen Themen in der technischen Forschung. Die Idee dabei ist der Einsatz von elektrischen Antrieben in Fahrzeugen zur Reduzierung des CO2-Ausstroßes im Individualverkehr. Trotz der hohen Wirkungsgrade der eingesetzten Elektro-antriebe ist die Reichweite aktueller Elektrofahrzeuge aufgrund der begrenzten Batteriekapazität auf etwa 100-200km begrenzt. Zudem werden energieintensive Nebenverbraucher, wie die Heizung und der Klimakompressor an der Antriebsbatterie betrieben, was die Reichweite weiter reduziert. Die begrenzte Reichweite in Kombination mit den langen Ladezeiten zeigt, dass eine optimale Nutzung der verfügbaren Energie bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen berücksichtigt werden muss.
Zudem ergeben sich durch die Integration von leistungselektronisch geregelten Antriebssystemen in die bestehenden Fahrzeugarchitekturen (12V-Bordnetz) enorme Herausforderungen bzgl. der EMV Anforderungen, die einen Anpassungsprozess der relevanten EMV-Standards im Fahrzeugbereich bedingt haben. Um einen störungsfreien Parallelbetrieb der beiden Bordnetze zu gewährleisten, wird das Antriebsbordnetz isoliert vom 12V-Bordnetz realisiert und zudem vollständig geschirmt. Aufgrund von Kostenfaktoren und dem geringen Platzangebot im Fahrzeug ist die Anzahl der zusätzlich realisierbaren Gegenmaßnahmen begrenzt.
Um sowohl die Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen als auch die im Antriebsbordnetz auftretenden Störaussendungen basierend auf realen Komponenten zu untersuchen, wird eine Power-HiL Umgeb-ung des Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs realisiert. Zur Untersuchung der Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen, wird das Antriebsbordnetz aus energietechnischer Sicht als Netzwerk mit Erzeugern und Verbrauchern betrachtet. Um sowohl unterschiedliche Fahrzeuge als auch unterschiedliche Antriebsysteme zu untersuchen, wird eine Skalierungsmethode vorgestellt, welche auch auf andere Prüfstände adaptierbar ist. Mit dem Aufbau wird der Einfluss unterschiedlicher Fahr-zyklen, Antriebssysteme, Rekuperationsleistungen und Hochvolt-Nebenverbraucher auf die Reich-weite der Fahrzeuge umfassend untersucht.
Zur Untersuchung der EMV des elektrischen Antriebsstrangs wird die Power-HiL Umgebung ver-wendet, um die Störaussendung des Antriebssystems von Elektrofahrzeugen und deren Ausbreitung im Fahrzeug zu untersuchen. In den aktuellen EMV-Standards werden die leitungsgeführten Störaus-sendungen an den Antriebs- und Traktionsleitungen des Umrichters in konstanten Betriebspunkten gemessen. Diese Störungen breiten sich zudem über die Antriebswelle, die eine Schwachstelle im aktuellen Schirmkonzept darstellt, im Fahrzeug aus. Da diese Wellenströme in der aktuellen Normung nicht berücksichtigt sind, werden sie mit der Power-HiL Umgebung erstmalig untersucht. Zudem wird ein Messaufbau vorgestellt, mit dem die Störaussendung im Frequenzbereich über der Zeit während eines dynamischen Fahrzyklus untersucht werden kann.
Electro mobility is part of the energy turnaround in Germany and thus one of the actual topics in technical research. The main idea is the reduction of CO2 emissions of public and individual traffic by using electric drives for vehicle propulsion. Despite the high efficiency of the electric traction systems electric vehicles have a limited driving range of 100-200 km. This limitation is caused by the capacity of the propulsion batteries used. In addition energy-intensive loads like the electric air conditioning compressor and the interior heating are supplied by this battery further reducing the vehicle’s driving range. Compared to vehicles with internal combustion engine electric vehicles can recuperate energy into the battery during the braking process. Especially in inner city traffic this causes an increase of the overall driving range. However, the combination of the limited driving range and the long duration of the recharge process indicates, that the optimal usage of this energy is one of the main topics during the development process of electric vehicles.
Furthermore, integrating electric traction systems in the existing vehicle electric architectures causes enormous challenges with respect to the EMC requirements. Due to this process all affected automotive EMC standards are actually adapted. Inside the power electronic components fast switching power semiconductors are used. In order to further increase the efficiency of the components the switching frequency of power semiconductors and the system’s operational voltage is increased. Beside the better efficiency of the components the electromagnetic interference (EMI) generated by the drive system increases. In order to provide an undisturbed operation of the 12V- and the traction system the traction system is built up isolated and completely shielded from the vehicle’s chassis. Due to costs factors and the limited space inside the vehicle the amount realizable further countermeasures is limited. Thus the disturbances generated by and the coupling passes inside the traction system has to be considered in an early stage in the component development process.
To investigate the impact of e.g. different usage scenarios on the energy efficiency and the EMI of an electric vehicle traction system a Power-HiL setup including the complete electric vehicle drive is used. Focussing on the energy efficiency investigations, the traction system is considered as an energy supply network consisting of energy sources and sinks. In order to simulate different electric vehicles and drives the Power-HiL setup is scaled, using method which can be adapted to other test setups. Using the scaled Power-HiL setup the impact of different electric drives, regenerative braking limitations, usage scenarios and the usage of energy intensive loads on the driving range of electric vehicles is comprehensively investigated.
On the other hand the Power-HiL setup is used to investigate the EMI generated and the coupling paths inside an electric vehicle traction system. In the actual EMC standards the conducted emissions of a drive inverter are measured at the motor and the battery cables while the drive is operated in constant operation. However, inside the motor these conducted emissions are coupling via the bearings onto the drive’s shaft. The shaft is not shielded and represents a weak point of the actual shielding concept. As these shaft currents are not considered in the actual standard, they are comprehensively analyzed using the Power-HiL setup. Furthermore, a realistic drive scenario of an electric vehicle represents a dynamic operation of the traction system, which is not considered in the actual standards. In order to investigate the impact of a dynamic operation of the drive on the conducted emissions the Power-HiL setup is used. For analysing the emissions in dynamic operation a setup measuring the EMI in frequency domain in discrete time steps is used.
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