EMV bei Traktionsbatterien Unerwünschte Nebenwirkungen für Elektroautos

Einsatz von Rechenmodellen

Die größte Herausforderung bei der Modellierung von elektromagnetischen Feldern, die durch Traktionsbatterien entstehen, ist die Komplexität der Systeme und die große Zahl involvierter Komponenten. Von Horiba Mira durchgeführte Simulationsstudien zeigen, dass eine Reihe von Approximationsstrategien genutzt werden können, um solche Modelle auf leistungsfähigen Desktop-PCs, statt auf komplexen Supercomputern, anzuwenden.

Die weit verbreitete zylindrische Lithium-Ionen-Zelle 18650 wird von vielen Autoherstellern in großen Mengen für Traktionsbatterien eingesetzt. Um die Impedanz des Zellentyps zu quantifizieren, hat Horiba Mira ein Verfahren entwickelt, die Zellenimpedanz bei Funkfrequenzen bis zu 200 MHz zu messen. Durch die Verknüpfung des 3D-Feldmodells mit einer Schaltungssimulation kann die Zellenimpedanz berücksichtigt werden. Der Widerstand und der Blindwiderstand zeigen einen Anstieg von knapp 0,1 Ohm bei 100 kHz auf knapp 2 Ohm bei 200 MHz. Ein Vergleich von 3D-HF-Simulationen (Bild 4) zeigt, dass die einzelnen Zellenimpedanzen bei einer Parallelschaltung mehrerer Zellen vernachlässigt werden können. Das senkt die Komplexität des Modells und reduziert den Bedarf an Co-Simulationen. Auch die typischen Träger für elektrische Zellen, die einzelne Zellen innerhalb eines Moduls an ihrem Platz halten, haben eine unerhebliche Auswirkung bei den Frequenzen, wodurch der Umfang und die Komplexität des Modells weiter begrenzt werden.

Aufgrund der hohen Anzahl von sehr kleinen Zellen ist es nicht zweckmäßig, die Wandstärke leitender Teile zu berücksichtigen, die in der Abmessung wesentlich kleiner sind. Glücklicherweise stehen Näherungswerte für Oberflächenmodelle sowohl für HF-Simulationen (Oberflächenimpedanz) als auch für niederfrequente quasistatische Modelle (exponentieller Stromabfall) zur Verfügung. Die Werte können für Komponenten wie Sammelschienen, Modul- und Batteriegehäuse sowie die Karosserieteile des Fahrzeugs verwendet werden. Die Darstellung der Komponenten durch Oberflächengitter begrenzt die Rechenanforderungen weit genug, um große elektromagnetische Modelle zu realisieren.

3D-Simulationen von Batteriesystemen

Module innerhalb eines leitenden Gehäuses (Bild 5) können in 3D-HF-Simulationen von Batteriesystemen mithilfe eines Verhaltensmodells weiter vereinfacht werden, um die frequenzabhängige Kopplung zwischen den externen Verbindungen des Batteriemoduls zu berücksichtigen. Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass das genaue HF-Verhalten des Moduls in der umfassenderen 3D-Simulation der Batterie nicht nachgebildet werden muss. Aus der Simulation eines elektromagnetischen Modells kann das Verhaltensmodell des Moduls gewonnen werden. Doch die Simulation lässt sich auch direkt aus Messungen mit einem Vektor-Netzwerkanalysator ableiten, die sowohl Phasen- als auch Amplitudeninformationen bereitstellen. Durch solche Berechnungen kann auf eine Modellierung der internen Modulkonstruktion verzichtet werden, die wiederum eine Messung der HF-Impedanz der enthaltenen Zellen erforderlich machen würde. Der Hauptnachteil bei der Direktmessung ist, dass ein charakterisierbares Schnittstellenschema erforderlich ist, um den Anschluss jeder der Modulklemmen an das koaxiale Messsystem zu ermöglichen.

Bei niedrigen Frequenzen reicht die Oberflächenwirkung auf ein leitfähiges Gehäuse nicht aus, um die Zellen innerhalb der Module elektromagnetisch zu isolieren. Allerdings zeigt sich bei dicht gepackten Modulen, dass nur die äußeren Zellen feinmaschig zu vernetzen sind. Die inneren Zellen lassen sich bei einer solchen Anordnung mit einfacheren analytischen Approximationen modellieren, die auf das 3D-Modell abgestimmt sind. Außerdem erfordern die Zellen nicht, dass das Gitter der tatsächlichen Geometrie genau dem Inneren des Moduls entspricht. Auch das wirkt sich positiv auf Modellgröße und Rechenanforderungen aus.

Zur Modellierung der HV-LV-Kopplung bei höheren Frequenzen können die geringen Querschnitte der Niederspannungskabel in vielen Fällen effektiver durch ein separates Kabelmodell dargestellt werden. So besteht keine Notwendigkeit zur Verwendung eines sehr feinen Gitters zur Darstellung des Kabelquerschnitts im 3D-Modell. Das würde schnell zu Rechenanforderungen führen, die kaum zu bewältigen sind.

Simulationsmodelle als Erfolgsfaktor

Traktionsbatterien für Kraftfahrzeuge sind keine einfachen passiven Energiespeicher, sondern komplexe elektrische Systeme, die möglicherweise die Fahrzeugplattform durch ihre EMV nachteilig beeinflussen. Traktionsbatterien stellen zudem ein zentrales Element des HV-Bordnetzes dar, das starke magnetische Streufelder erzeugen kann.

Schutzmaßnahmen für niederfrequente Magnetfelder sind in den späten Phasen der Fahrzeugentwicklung nur zeit- und kostenintensiv zu realisieren. Darüber hinaus ist die Arbeit an Hochvoltsystemen potenziell gefährlich und die RF-Impedanzeigenschaften von Traktionsbatterien sind nicht leicht zu messen, da die dafür geeigneten Instrumente (beispielsweise die Netzwerkanalysatoren) vor den hohen Betriebsspannungen geschützt werden müssen.

Frühzeitige Hinweise auf potenzielle Herausforderungen, wie sie die elektromagnetische Modellierung liefern kann, sind also von großem Vorteil in der Forschung und Entwicklung der Batterie- und Fahrzeughersteller, da solche Simulationen auch als kostengünstiges und praktisches Verfahren zur Beurteilung verschiedener Schutzmaßnahmen eingesetzt werden können. Sollten die entstehenden Felder so stark sein, dass körperliche Belastungen untersucht werden müssen, ist eine numerische Simulation das beste Verfahren.

Der Autor

Dr. Alastair R. Ruddle
hat an der Loughborough University (UK) seine Promotion in »Validation of Automotive Electromagnetic Models« abgelegt. Seit 1996 ist er bei Horiba Mira in Nuneaton, England, beschäftigt. Derzeit ist er als leitender Wissenschaftler für das Ressort Vehicle Resilience Technologies zuständig.