Forschung & Entwicklung bei EMC Test NRW

Einsatz von Ersatzlasten für Motoren

Bei EMV-Messungen an Antriebsumrichtern ist die Realisierung einer motorischen Last innerhalb der Schirmkabine schwer zu realisieren. Als Alternative wird eine durch die EMC Test entwickelte passive Ersatzlast eingesetzt, welche die Impedanz des Drehstrommotors nachbildet. Hierdurch kann der gesamte Messaufbau schnell innerhalb einer Absorberhalle oder Schirmkabine platziert werden, was die Flexibilität der Projekte erheblich erhöht.

_{Abbildung 1: links, Motorersatzlast bei Magnetfeldmessung; rechts, Vergleich einer CISPR 25 Störspannungsmessung zwischen Motor und Ersatzlast}

Bei Messungen an Hochvoltkomponenten wird eine DC-Spannungsversorgung zum Betrieb benötigt. Um die Impedanz der Spannungsversorgung an die einer realen Lithium-Ionen Traktionsbatterie anzupassen wird eine Batterieersatzlast zwischen die Hochvoltkomponente und die Spannungsversorgung geschaltet. Hierdurch können deutlich fahrzeugnähere Emissionsmessungen durchgeführt werden, was eine zusätzliche Sicherheit für die spätere Integration der Komponenten generiert.

Bei normativen Prüfungen wird standardmäßig in konstanten Betriebszuständen getestet. Speziell bei Emissionsmessungen zeigt sich aber ein deutlicher Einfluss des Betriebszustands auf das Ergebnis. Mit einer speziellen Ansteuerungssoftware kann der Einfluss des dynamischen Betriebs auf die Emissionen von Umrichtern untersucht werden.

Zur Entkopplung zwischen dem 12V und dem Hochvoltbordnetz werden geschirmte HV-Kabel mit entsprechenden Steckverbindern eingesetzt. Um deren Schirmdämpfungseigenschaften bewerten zu können, kann das Paralleldrahtverfahren zu Einsatz kommen. Dies hat den Vorteil, dass neben der Bewertung der Schirmdämpfungseigenschaften auch Schwachstellen der Prüflinge identifiziert werden können. Hierbei wird durch die EMC Test eine sehr flexible Adaptierung der verschiedenen Steckverbinder bereitgestellt, so dass eine umfassende EMV-Absicherung dieser Komponenten möglich ist.

• Projektpartner: RWTH Aachen, Hochschule Ruhr West, Voltavision GmbH, Embex GmbH, Volkswagen AG, DENSO Automotive Deutschland GmbH, Innolectric AG, Vemac GmbH & Co. KG
• Projektträger: TÜV Rheinland Forschungsmanagement GmbH (PT-TÜV), Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
• Projektlaufzeit: 2023 bis 2025
   

Teilvorhaben: EMV von elektrischen Antriebssystemen mit neuartiger Resonanzwandlertopologie, Schwerpunkt Entwicklung einer motorischen Last und Messungen

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs schreitet immer weiter voran, was neue leistungselektronisch geregelte Antriebssysteme in die bestehenden Fahrzeugarchitekturen bringt. Bezüglich der EMV stellen gerade die Antriebsumrichter Störquellen dar, die andere Funktionen des Fahrzeugs negativ beeinflussen können. Ein gängiger Ansatz ist die Reduktion dieses Einflusses durch umfangreiche Filter- bzw. Schirmungsmaßnahmen.

Das Verbundprojekt verfolgt in diesem Kontext einen komplett anderen Ansatz. Zur Reduktion der Störemissionen soll ein Inverter auf Basis der Resonanzwandlertopologie entwickelt und im Rahmen eines Demonstrators erprobt werden. Bei einem solchen Resonanzwandler wird die Phasenspannung nicht wie üblich über eine Puls Weiten Modulation (PWM) sondern direkt mit der Drehfeldfrequenz auf den Motor geschaltet. Eine zusätzliche variable Kapazität sorgt bei dieser Betriebsart dafür, dass der Motor bei der anregenden Drehfeldfrequenz in Resonanz ist.

Für die EMC Test NRW GmbH liegt der Hauptfokus auf der messtechnischen Untersuchung der elektromagnetischen Emissionen dieses Antriebssystems auf Resonanzwandlerbasis. Hierzu muss gerade auf der Antriebseite eine motorische Last mit stark reduzierter Eigenemission eingesetzt werden, so dass zum einen das Betriebsverhalten des neuartigen Inverters und zum anderen die EMV Eigenschaften untersucht werden können. Eine solche motorische störungsarme Last wird im Rahmen des Projekts durch die EMC Test NRW GmbH realisiert.

• Projektpartner: Institut für Automation und Kommunikation e.V. Magdeburg, Delta Energy Systems (Germany) GmbH, MAHLE International GmbH, Wiferion GmbH

• Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

• Projektlaufzeit: 2021 bis 2024

Teilvorhaben: EMV induktiver Energieübertragung, Schwerpunkt Messungen und Studie

Die induktive Energieübertragung ermöglicht das automatische, kabellose Aufladen von Elektrofahrzeugen bei jedem Parkvorgang oder auch dynamisch während der Fahrt. Damit ist diese Technologie ein Schlüssel für autonomes Fahren und netzstabilisierendes Laden. Für eine erfolgreiche Verbreitung ist eine Normung und Standardisierung erforderlich.

Die wesentlichen Ziele des Verbundprojektes EMPOWERED sind daher die Entwicklung einer weltweit konsensfähigen Positionierhilfe und eines einheitlichen, genormten EMV-Messverfahrens, um die internationalen Normungsarbeiten zur induktiven Energieübertragung für Elektrofahrzeuge bei IEC, ISO, SAE und ETSI zu unterstützen. Durch strukturierte Messreihen sollen systematisch Störpotentiale induktiver Energieübertragungssysteme z.B. gegenüber Funkgeräten und AM-Radio erfasst und somit realistische EMV-Grenzwerte für eine weitgehende Koexistenz begründet werden.

Für die EMC Test NRW GmbH liegt der Hauptfokus auf der messtechnischen Untersuchung der elektromagnetischen Emissionen von WPT-Systemen (Wireless Power Transfer) im Bereich der technischen EMV sowie im Zusammenhang mit Amateurfunk- und AM-Radio Empfängern. Damit sowohl die Messumgebung als auch das Messverfahren normiert werden können, betrachten wir insbesondere das erforderliche Test-Setup.

_{Abbildung 7: Test-Setup}

• Projektpartner: Robert Bosch Car Multimedia GmbH, Infineon Technologies AG, Zuken GmbH, Microchip Technology Germany II GmbH & Co. KG, CONTUNITY GmbH, Luminovo GmbH, HOOD GmbH, CLOUD & HEAT Technologies GmbH, Binder-Elektronik GmbH, DIQA Projektmanagement GmbH, InnoZent OWL e.V., Fraunhofer-Institut für angewandte Informationstechnik (FIT), Forschungszentrum Informatik (FZI), Technische Universität Dortmund, Helmut-Schmidt Universität, Technische Universität Berlin, Hochschule Hamm-Lippstadt, EMC Test NRW GmbH, Dortmund

• Projektträger: TÜV Rheinland und Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

• Projektlaufzeit: 2021 bis 2024

Wie kann Künstliche Intelligenz die Entwicklung von Elektronik für zukünftige Fahrzeuggenerationen unterstützen? EMC Test NRW ist einer von achtzehn Partnern im Forschungsteam von „progressivKI“, die einen generalisierten KI-gestützten Entwurfsprozesses für KFZ-Elektroniksysteme entwickeln möchten. Die EMC Test NRW wird im Rahmen des Projektes die elektromagnetische Verträglichkeit beim Entwurf neuer Fahrzeugelektronik unter die Lupe nehmen. Beispielsweise wird erforscht, mit welchen Parametern und Informationen das Maschinelle Lernen erzielt wird. Durch Maschinelles Lernen sollen Elektroniksysteme insgesamt schneller, zuverlässiger und kostengünstiger entwickelt werden. Damit soll eine deutliche Innovationsbeschleunigung erreicht werden.

_{Abbildung 6:  progressivKI}

• Projektpartner: Aptiv, Technische Universität Dortmund, Bergische Universität Wuppertal, IQZ

• Projektträger: EFRE.NRW

• Projektlaufzeit: 2018 bis 2022

Das Projekt Affiance beschäftigt sich mit der Erprobung von automatisierten Fahrfunktionen unter Beeinträchtigung durch Umwelteinwirkung. Hierbei wird durch den Projektpartner Aptiv ein Zentralsteuergerät sowie eine Testplattform entwickelt, mit der die Funktionen des automatisierten Fahrzeugs erprobt werden können. Die EMC Test bearbeitet im Zuge des Projekts den Einfluss von elektromagnetischen Störeinflüssen auf die Sensorik und die Kommunikation im autonom fahrenden Fahrzeug. Aufgrund der umfassenden Umweltsensorik kommt es in diesen Fahrzeugen zu einem deutlich höheren Datenaufkommen, welches durch den Einsatz von neuen 2-Wire Ethernet Kommunikationssystemen beherrscht werden kann. Die EMC Test untersucht in diesem Zusammenhang die Störfestigkeit dieser Kommunikation, um eventuelle Schwachstellen aufzuzeigen. Zudem wird untersucht, welchen Einfluss die Störungen auf einen realen Datensatz eines autonomen Fahrzeugs haben, um den Einfluss der Störungen in der Testplattform von Aptiv einspielen zu können.

_{Abbildung 4: oben, Datenrate über Störspannungspuls;
unten, Testaufbau mit Störeinkopplung über kapazitive Koppelzange}

• Projektpartner: NXP, Technische Universität Dortmund, Robert Bosch GmbH, SiL, RWTH Aachen, AiX Control

• Projektträger: VDI/VDE/IT und BMBF

• Projektlaufzeit: 2018 bis 2021 (evtl. Verlängerung bis 2022)

Das Projekt RobKom erforscht die EMV von autonom fahrenden Elektrofahrzeugen. Hierbei kommt es insbesondere durch das erhöhte Störpotential der Komponenten des elektrischen Antriebssystems in Kombination mit den hohen Störfestigkeitsanforderungen an die Kommunikationssysteme für autonome Fahrfunktionen zu Herausforderungen bei der EMV. Auf der einen Seite wird im Projekt untersucht, wie die Störemissionen von effizienzoptimierter Leistungselektronik durch spezielle Ansteuerverfahren reduziert werden können. Auf der anderen Seite wird untersucht, wie die Verkopplung zwischen Kommunikation und Hochvoltsystem beschaffen ist und welche Optimierungsmaßnahmen getroffen werden können, um die Störfestigkeit der Funktionen zu erhöhen. Hierbei untersucht die EMC Test auf der messtechnischen Seite die Emissionen der Störquelle, die Störfestigkeit der Kommunikation und die Verkopplung der Systeme. Im Rahmen des Projektes wird in Zusammenarbeit mit dem Projektkonsortium ein Demonstrator aufgebaut, dessen EMV optimierte Funktion am Projektende im Labor der EMC Test verifiziert wird.

_{Abbildung 5: oben, Überkopplung von Störungen des HV Systems
auf parallele Kommunikationsleitung; unten, Testaufbau mit Demonstrator}

• Projektpartner: Bergische Universität Wuppertal

• Projektträger: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand

• Projektlaufzeit: 2017 bis 2020

Im Rahmen des Projektes werden seitens der EMC Test Prüfmethoden für die EMV Absicherung von induktiven Ladesysteme für Elektrofahrzeuge entwickelt und erprobt. Hierbei sind im speziellen Prüfperipherien entwickelt worden, mit denen sowohl Ladestationen als auch Fahrzeuge einzeln vermessen werden können. Bei der EMV Absicherung der induktiven Ladesysteme, sind die Emissionen kritischer zu sehen. Speziell für die Prüfung von Ladesystemen und Fahrzeugen wurde sowohl eine Karosserienachbildung und eine gefilterte Ladestation für Fahrzeugtest entwickelt (Siehe Abbildung 2).

_{Abbildung 11: links, Aufbau Magnetfeldmessung; rechts, Filterwirkung induktive Ladestation}

• Projektpartner: Scienlab GmbH, Universität Duisburg-Essen

• Projektträger: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand

• Projektlaufzeit: 01.10.2014 bis 31.03.2017

Im Rahmen des Projekts wurde durch das Konsortium eine Testumgebung realisiert, die erstmalig umfassende Tests an Ladestationen und Fahrzeugen realisiert. Die Testumgebung bildet dabei jeweils den fehlenden Gegenpart sowohl auf der Leistungsseite als auch auf der Kommunikationsseite ab und ist mittlerweile mit einer Leistung von bis zu 150kW im Labor der EMC Test verfügbar. (weitere Informationen zur Testumgebung für Ladestationen finden sie hier).

_{Abbildung 8: links, Testsetup E-Fahrzeug; rechts Testsetup Ladesäule}

• Projektpartner: Technische Universität Dortmund, TÜV Informationstechnik GmbH, ASL Services

• Projektträger: Progres.nrw

• Projektlaufzeit: 04.07.2013 bis 30.09.2015

_{Abbildung 9: Messaufbau zur leitungsgeführten Emissionsmessung}

• Projektpartner: Technische Universität Dortmund, TÜV Informationstechnik GmbH, ASL Services

• Projektträger: Progres.nrw

• Projektlaufzeit: 17.05.2011 bis 31.07.2015

_{Abbildung 10: Messaufbau für Schirmdämpfungsmessung}