EMV bei Traktionsbatterien Unerwünschte Nebenwirkungen für Elektroautos

Batterien für E-Autos werden hinsichtlich ihrer elektrochemischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften optimiert. Aspekte zur elektromagnetischen Verträglichkeit spielen jedoch oft eine untergeordnete Rolle. Doch hat die EMV-Strahlung einen Einfluss auf das Batteriesystem sowie den Menschen?

Der gesellschaftliche und politische Druck zur Reduzierung der CO2-Emissionen durch den Straßenverkehr beschleunigt den Vormarsch des Elektromotors als Fahrzeugantrieb. Obwohl Hybrid- und Elektroautos zu den bekanntesten Beispielen zählen, zeigen sich ähnliche Trends auch in den Bereichen Schiff-, Luft- und Raumfahrt. Elektrische Komponenten für den Antriebsstrang sind jedoch Quellen ungewollter elektromagnetischer Emissionen, die Beachtung finden müssen, um mögliche nachteilige Auswirkungen auf andere elektronische Systeme (sowohl On- als auch Offboard) und die Fahrzeuginsassen zu vermeiden.

Aufbau und Aufgaben der Traktionsbatterie

Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge müssen unterschiedliche Leistungsanforderungen erfüllen. Sie reichen von 5 bis 10 kW für ein kleines Stadtauto bis hin zu 100 bis 200 kW für leistungsstarke Fahrzeuge. Die Betriebsspannung liegt dabei normalerweise bei 400 bis 600 V. Um die erforderliche Leistung bei relativ niedrigen Stromstärken (um 1.000 bis 1.500 A) ohne schwere, sperrige und kostenintensive elektrische Verbindungstechnik zur Verfügung stellen zu können, kann die Betriebsspannung bis auf 1 kV und höher ansteigen. Im Gegensatz zu den elektrischen Fahrzeugsystemen, die mit Niederspannung (LV) von 12 bis 48 V arbeiten, sind die Stromnetze elektrischer Antriebssysteme für hohe Spannungen (HV) ausgelegt.

Für Anwendungen in Kraftfahrzeugen werden einzelne Akkumulatorzellen zu einer Traktionsbatterie zusammengeschaltet, um die erforderliche Betriebsspannung und maximale Stromstärke zu erreichen. Die Anzahl reicht von einigen zehn bis hin zu mehreren tausend Zellen, abhängig vom Zellentyp und Anwendungsfall. Für ein sicheres und einfaches Handling werden die Zellen meist zu Batteriemodulen zusammengefasst. Die Module werden durch entsprechend ausgelegte Sammelschienen in ausreichender Anzahl zu einem kompletten Batteriepack kombiniert. Solche Traktionsbatteriesysteme (Bild 1) erreichen Abmessungen von ein bis zwei Metern Länge oder mehr sowie ein Gewicht von einigen hundert Kilogramm. Derart große Batteriesysteme sind kompliziert in ein Auto zu integrieren und befinden sich im Unterboden oder hinter den Rücksitzen. Traktionsbatterien sind aufwendig in der Herstellung, was sich auf Fahrzeugpreis bzw. Reichweite auswirkt.

Zur Überwachung der Betriebssicherheit müssen die Traktionsbatterie und ihre Nebenmodule mit Niederspannungskontroll- und -regelsystemen ausgestattet sein (Bild 2). Die Traktionsbatterie ist grundsätzlich mit einem passenden Kühlkreislauf verbunden, da die meisten Systeme eine Kühlung benötigen. Außerdem sind Traktionsbatterien in der Regel mit Niederspannungsnetzen und dem Datennetzwerk des Fahrzeugs verbunden. Parameter wie Zellen- und Modulspannung sowie Zellen- und Modultemperatur müssen ebenso überwacht werden wie die Temperatur und der Durchfluss des Kühlmittels. Auch die Hochspannungs (HV)-Schaltanlage, die zur Verbindung der Traktionsbatterie mit den anderen HV-Antriebsstrangkomponenten wie dem Inverter dient, wird kontrolliert und gesteuert.

Elektromagnetische Aspekte

Der Strom in der Batterie ist im Normalfall ein Gleichstrom (DC). In der Praxis ist er jedoch kein reiner Gleichstrom, sondern eine zeitvariable Wellenform mit signifikanter Amplitudenschwankung, die niederfrequente Magnetfelder kleiner Spannung von 2 bis 3 kHz erzeugt (Bild 3). Die Elektrostimulation von Nerven und Muskeln durch Magnetfelder mit Frequenzen im Bereich von 1 Hz bis 10 MHz ist ein bekannter physiologischer Effekt. Zwar ist eine langfristige Gesundheitsbelastung durch solche Felder nicht nachgewiesen, doch die akute Wirkung könnte Unwohlsein und möglicherweise sogar unwillkürliche Bewegungen auslösen, was für Fahrzeugführer oder Bediener anderer Maschinen unerwünschte gesundheitliche Effekte haben könnte.

Deshalb haben verschiedene nationale und internationale Organisationen Mindestvorschriften zum Schutz vor der Gefährdung durch elektromagnetische Felder empfohlen. Beispiele sind die EU (1999/519/EC für die Bevölkerung und 2013/35/EU für Arbeitnehmer) und die Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP). Eine neue IEC-Norm, PT 62764–1, die sich auf die Messung der Einwirkung von niederfrequenten elektromagnetischen Feldern auf Personen im Automobilumfeld bezieht, ist derzeit in der Entstehung.

Erhebliche Auswirkungen auf die Ausbreitung leitungsgebundener elektromagnetischer Störungen im HV-Stromnetz und damit auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) entstehen durch die Traktionsbatterien bei höheren Frequenzen von 100 kHz bis 200 MHz. Das elektromagnetische Rauschen wird von Schaltgeräten in Systemen wie Invertern und Gleichspannungswandlern erzeugt, wobei die Batterie das größte und komplexeste Element des Verbreitungswegs darstellt.

Darüber hinaus ist eine mögliche hochfrequente elektromagnetische Kopplung zwischen dem HV-Stromnetz und der Niederspannungsverkabelung in Traktionsbatterien zu bedenken, die für die Überwachung und Steuerung der Hochvoltbatterie genutzt werden kann. Die vierte Ausgabe der internationalen Norm CISPR 25 über Grenzwerte und Messverfahren für Funkstörungen berücksichtigt nun auch abgestrahlte Funkfrequenzen zwischen HV- und LV-Systemen in geschirmten Hochspannungs-Stromversorgungssystemen, wozu auch Traktionsbatterien gehören.

Die beträchtliche Größe von Traktionsbatterien ist einer der Gründe, warum das Interesse an der Minimierung der Gesamtmasse von Elektrofahrzeugen und deren Batterien zunimmt. Eine Möglichkeit besteht darin, die Fahrzeuge relativ kompakt zu bauen. Das führt dazu, dass die Insassen und empfindliche Sensoren räumlich näher an den EMV-Quellen sitzen und damit potenziell höheren magnetischen Feldstärken ausgesetzt sind. Eine Abhilfe-Option stellt der Einsatz von Stahl in der Fertigung dar – anstatt auf Metalle geringer Dichte, schwach leitende Kohlefaser-Verbundwerkstoffe oder nichtleitendes Material zu setzen. Metalle geringerer Dichte und auch Kohlefaser besitzen eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit, um eine akzeptable elektromagnetische Abschirmung bei hohen Frequenzen zu gewährleisten. Allerdings sorgen sie im Vergleich zu Stahl wegen ihrer relativ geringen Permeabilität für eine deutlich schwächere elektromagnetische Abschirmung bei niedrigen Frequenzen, wie sie für Traktionsströme typisch sind. Leichtbaumaterialien, die für die Fahrzeugkonstruktion und/oder Batteriegehäuse verwendet werden, können also elektromagnetische Störfelder von Traktionsbatterien nur wenig oder gar nicht abschirmen.

Schutzmaßnahmen für EMV-Felder

Niederfrequente Magnetfelder sind schwer abzuschirmen. Daher besteht der beste Schutz vor solchen Feldern darin, Insassen und sensible Geräte so weit wie möglich räumlich von den HV-Leitungen zu trennen. Die Festlegung eines Mindestabstands stellt jedoch keine sinnvolle Option dar, da die Belastung vom

  • Frequenzgehalt der Traktionsstromkurve,
  • der relativen Geometrie der Stromleitung,
  • den elektrischen Eigenschaften der Materialien in der näheren Umgebung und
  • der Empfindlichkeit der Geräte abhängt.

Daher ist es sinnvoll, bereits in der Planungsphase ein 3D-Modell der elektromagnetischen Eigenschaften der geplanten Architektur des HV-Stromnetzes vorzusehen. So lassen sich potenzielle Risiken sowie kostengünstige geeignete Schutzmaßnahmen prüfen. Realisieren lässt sich das mit einem stufenweisen Vorgehen. Um die Eigenschaften der Batterie in Verbindung mit der Fahrzeugkonstruktion zu untersuchen, werden zum Beispiel die Traktionsleitungen innerhalb der Batterie untersucht, optimiert und anschließend die Komplexität des Modells erhöht.

Weniger geeignete Methoden, um die Belastung durch niederfrequente Magnetfelder zu reduzieren, sind die Nutzung dedizierter Abschirmungen, die Aufteilung der Ströme auf mehrere Bahnen und das Verdrillen der HV-Stromkabel. Alle Maßnahmen erfordern meist zusätzliche Bauteile und können den Montageaufwand und damit die Herstellungskosten erhöhen. Zudem sind sie weniger effektiv als eine Optimierung der HV-Stromleitungsführung. Allerdings führt kein Weg um sie herum, wenn die potenziellen Risiken nicht bereits in der Planungsphase identifiziert werden. Simulationen zeigen, dass eine Kabelverdrillung nur in Abständen von wenigen Zentimetern vom Kabel vorteilhaft ist und über größere Distanzen keinen Nutzen bietet. Zusätzliche Abschirmungsmaßnahmen können unterstützen, wirken sich aber auf das Gewicht aus. Zudem könnte es sich als mühsam herausstellen, Risiken durch sehr niederfrequente Felder so zu reduzieren.

Die Hochfrequenz-Kopplung zwischen den HV- und LV-Leitungen lässt sich ebenfalls durch stärkere räumliche Trennung der HV- und LV-Leitungen reduzieren, wobei der Möglichkeit unweigerlich praktische Grenzen gesetzt sind. Lässt sich zudem eine Parallelführung der HV- und LV-Strombahnen weitgehend oder ganz vermeiden, kann das Risiko einer HF-Kopplung weiter reduziert werden. Auch in diesem Fall ist die numerische Simulation die beste Herangehensweise zur Früherkennung potenzieller Probleme und einer kostengünstigen Beurteilung möglicher Schutzmaßnahmen. Jedoch unterscheiden sich die für solche HF-Simulationen erforderlichen Modelle von der quasi-statischen Modellierung für die Analyse der Belastungen durch niederfrequente Magnetfelder. Dennoch könnte ein HF-Modell der Traktionsbatterie auch HF-Impedanzdaten für eine Modellierung der Ausbreitung von leitungsgebundenen Störungen im HV-Stromnetz liefern, ausgehend von Schaltgeräten in HV-Komponenten wie Invertern und Wandlern.