Elektromagnetische Störquellen im Elektroauto
Allmählich kehrt nach dem ersten Hype Ernüchterung rund um das Elektroauto ein
„Mit EMV-Themen beim Elektroauto werden noch mehrere Ingenieurgenerationen zu tun haben“, glaubt Gerhard Pohlmann, Geschäftsführer der EMC Test NRW GmbH und Ausrichter des Gemeinschaftsstands „e-Mobility special“ auf der Messe EMV 2012 letzte Woche in Düsseldorf.
Pohlmann kommt gleich auf den Punkt: „Wir haben es bei den Batterien in Elektrofahrzeugen mit enorm hohen Spannungen und Strömen zu tun: Je nach Antrieb fließen mehrere 100 A, bei der Spannung sind Tendenzen von 400 V in Richtung 800 V erkennbar.“
Die Batterie im Elektroauto: Mögliche Störquelle für Bordcomputer und den menschlichen Körper
Die dabei um die Leitungen herum entstehenden Magnetfelder erzeugten bei den Drehstromantrieben, so der Experte, starke magnetische Wechselfelder, die Störströme in die Bordelektronik induzieren. In der Bahnindustrie kennt man diese Phänomene schon lange, in der Autoindustrie in dieser Ausprägung noch nicht.
„Der zweite Punkt erscheint mir aber noch wichtiger“, sagt Pohlmann. „Magnetfelder können im menschlichen Körper Wirbelströme erzeugen, deshalb müssen aus Personenschutzgründen frequenzabhängige Grenzwerte eingehalten werden.“ Wissenschaftler, Mediziner, Biologen, Neurologen und Ingenieure arbeiten interdisziplinär in der International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) an Grenzwertempfehlungen für international einheitliche Regelungen.
Und weil es diese noch nicht flächendeckend und lückenlos gibt, ist gerade in der Entwicklungs- und Testphase besondere Vorsicht geboten. Daher funktioniert die kontaktlose, induktive Ladung eines kleinen Citroën der IAV GmbH auf dem Stand „e-Mobility special“ aus Sicherheitsgründen zurzeit auch nur, wenn er verschlossen abgestellt ist.
Ein provisorisches Aluminiumblech schirmt im Versuchsauto die Magnetfelder ab, positioniert wird es über der Induktionsbodenspule, die exakte Ausrichtung wird dabei mit einem per Bluetooth verbundenen iPod überprüft. „Später soll mit höheren Leistungen und Frequenzen geladen werden“, sagt Steffen Kümmell, Projektleiter Technologie Monitoring bei der Berliner Entwicklungsfirma IAV. „Das Elektroauto wird sich erst durchsetzen, wenn es sexy ist, aber wir arbeiten daran“, ergänzt er.
„Schon aus Komfortgründen ist die induktive Ladetechnik sehr attraktiv, denn die konduktive Aufladung per Kabel hat wegen vieler Nachteile bei der Handhabung keine so großen Chancen auf breite Akzeptanz“, meint Pohlmann. Doch es seien noch etliche Detailprobleme, etwa bei der Wirkungsgradoptimierung und der Beherrschung der magnetischen Streufelder, zu lösen, bevor an einen Serieneinsatz zu denken sei.
Auch der Inverter bietet Störpotential
Erhebliches Störpotenzial bietet auch der Inverter, der aus dem Gleichstrom des Akkus Drehstrom für die Antriebsmotoren erzeugt. „Der Inverter muss Leistungen von 40 kW, 80 kW oder sogar bis zu 120 kW bewältigen und generiert so aufgrund der schaltenden Flanken neben den Grundschwingungen auch harmonische Schwingungen, die bis in den Megahertz-Bereich hineinreichen können.“
Dieses typische Phänomen der elektromagnetischen Verträglichkeit würde andere elektronische Systeme nicht nur im Fahrzeug selbst, sondern in der Nachbarschaft erheblich stören können. „Das müssen wir unbedingt vermeiden“, sagt Pohlmann.
Die Kopplung des Hochvoltnetzes mit dem 12-V-Niedervoltnetz über einen DC/DC-Wandler schafft weitere Störeinflüsse, die besonders dem Niedervoltnetz zu schaffen machen können. Entsprechend muss hier eine ausreichend hohe Koppeldämpfung der Störsignale jede Beeinflussung der empfindlichen Steuerelektronik sicher ausschließen. „Neu im Elektrofahrzeug ist: hohe Spannung, hohe Ströme und die damit verbundene Magnetfeld-Thematik“, fasst Pohlmann zusammen.
Akku-Preis verhindert derzeit einen Durchbruch des Elektroautos
Bei allem Optimismus glaubt Pohlmann nicht an einen baldigen flächendeckenden Durchbruch des Elektroautos mit hohen Stückzahlen: „Es ist noch unwahrscheinlich viel Arbeit zu leisten beim Antrieb, der Batterie und auch bei der induktiven Ladetechnik.“ Doch das Haupthindernis sei derzeit noch der Preis. „Ein Akku mit 20 kWh bis 30 kWh kostet zurzeit noch 15 000 € bis 20 000 €. Zum Teil wird dies kompensiert, weil viele teure Komponenten rund um den Verbrennungsmotor entfallen und der elektrische Antriebsstrang einfacher und kostengünstiger ist.“
Für Privatleute sei ein Elektroauto wegen der hohen Batteriekosten noch auf längere Sicht nicht wirtschaftlich. Deshalb die Hybridlösungen oder Range Extender wie im Opel Ampera, die mit kleineren und damit kostengünstigeren Batterien ausgestattet werden und bei denen ein kleiner Verbrennungsmotor bei Bedarf Strom erzeugt. Hauptzielrichtung sei, die Kapazität der Akkus zu steigern und damit Gewicht und Kosten zu reduzieren. Eine Halbierung der Kosten in ein paar Jahren wäre schon ein Erfolg. „Wir stecken fast noch in den Kinderschuhen beim Elektroauto, erst drei, vier Jahre wird intensiv daran gearbeitet“, sagt Pohlmann.
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