Neue Herausforderung für die E-Mobilität: Teilentladung

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Elektromobilität: Ausfälle von ­
800 V-Antrieben vermeiden

Derzeit arbeiten 90 % der Flotte von E-Fahrzeugen mit der bewährten 400 V-Technologie. Da aber im Zuge von geforderten Reichweitensteigerung und Verkürzung der Ladezeiten immer mehr Fahrzeuge mit 800 V-Antrieben auf den Markt kommen, wird Teilentladung in den kommenden fünf Jahren zu einer bedeutenden Herausforderung werden.

In den zahlreichen bisher durchgeführten Untersuchungen verschiedener Fahrzeuge hat FEV bei nahezu jedem getesteten Modell Teilentladung feststellen können. Um TE-bedingte Ausfälle von Elektroantrieben zu verhindern, unterstützt FEV seine Kunden bereits während des Entwicklungsprozesses dabei, TE zu identifizieren und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten!

Gut zu
wissen

Teilentladung ist ein lokal auftretender elektrischer Überschlag, der bei Spannungen von mehr als 600 Volt entstehen kann. Aufgrund der dort herrschenden hohen elektrischen Feldstärke durchdringen einzelne Ladungsträger die Isolationsschicht. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um einen festen, flüssigen oder gasförmigen Isolator handelt.

Im Bereich der elektrischen Anlagentechnik und Hochspannungs-Übertragungsnetze ist das Phänomen bereits seit langem bekannt. Entsprechende Überprüfungen gehören hier zu den Standardprüfungen vor der Inbetriebnahme der Anlage. Im Automobilsektor ist TE noch weitestgehend unbekannt, rückt jedoch mit der gesteigerten Verbreitung von 800 V-Antrieben zusehends in den Fokus.

Als Ursache für Teilentladung reichen bereits kleinste Defekte oder Inhomogenitäten wie Luft- oder Staubeinschlüsse im Isolationsmaterial oder Verunreinigungen der Oberflächen aus. Dies können entweder durch im Herstellungsprozess entstandene oder durch unsachgemäßen Umgang verursachte Mikrorisse o.ä. sein, die auch durch den täglichen Gebrauch dieser Bauteile entstehen können.

Sofern sie unentdeckt bleibt und wiederholt auftritt, führt TE zu einer fortschreitenden Schädigung der Isolierung. Im Inneren von elektrischen Antriebseinheiten (Electric Drive Units, EDUs) kann TE Kurzschlüsse verursachen, die im ungünstigsten Fall zu einem vorzeitigen Ausfall des Antriebs und damit einhergehend zum Stillstand des Fahrzeuges führen.

Die bisherigen elektrischen Fahrzeugantriebe arbeiten weitestgehend mit Spannungen im Bereich 400 V. Teilentladung tritt jedoch erst bei Spannungen von mehr als 600 V auf. Mit der zunehmenden Verbreitung der 800 V-Technologie wird TE nun auch für elektrische Antriebseinheiten relevant, besonders E-Motoren sind aufgrund ihrer Bauform und der vorherrschenden Spannungen potenziell die gefährdetsten Bauteile.

Mit PD-HVX bietet FEV Herstellern von Elektrofahrzeugen und Zulieferern eine umfassende Lösung um TE bereits während der Entwicklung zu identifizieren und frühzeitig entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten zu können.

Bild von Messdaten eines EM Feldes einer EDU
Elektromagnetisches Feld einer EDU bei 100 km/h und 6.000 Nm ungefiltert (oben) und nach Filterung der Interferenzsignale (unten)

Was ist PD-HVX?

PD-HVX ist die erste und bislang einzige am Markt erhältliche Lösung für die Erkennung von Teilentladung im Automobilbereich.

Speziell entwickelte Sensoren messen die elektromagnetischen Felder rund um die zu untersuchende Antriebseinheit. Die dabei verwendete elektromagnetische Frequenzanalyse ist die präziseste und verlässlichste Messmethode zur Untersuchung elektrischer Antriebe.

Moderne, umrichtergespeiste Elektro-Antriebe erzeugen durch die eingesetzte Pulsweitenmodulation (PWM) selbst ein messbares elektromagnetisches Feld. (in der Abb. oben dargestellt)

PD-HVX filtert diese Interferenzsignale zuverlässig heraus und erreicht dadurch eine signifikante Erhöhung der Messempfindlichkeit. (siehe unterer Teil der Abb.)

Die ebenfalls explizit für die Untersuchung von Elektroantrieben entwickelte Software leitet aus den Messergebnissen anschließend ab, ob während des Betriebs innerhalb der Antriebseinheit Teilentladung entstehen.

Durch die Kombination aus modernster Hard- und Software und einem umfangreichen Servicepaket in Verbindung mit zusätzlich verfügbaren Beratungsdienstleistungen durch FEV Experten kann der Kunde auftretende Teilentladung frühzeitig im Entwicklungsprozess aufspüren und entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen.

Unsere Lösung: PD-HVX

Das Starterpaket beinhaltet das physische Messsystem sowie die entsprechende Software, die Einrichtung beim Kunden sowie eine Vorabberatung und zwei Testtage.

Die während der Messungen erzeugten Daten kann der Kunde entweder selbst auswerten, oder auf die Expertise und Erfahrung von FEV zurückgreifen. Die Ingenieure von FEV führen in einer zweiten Stufe weitere Messungen durch, werten diese aus und erstellen einen umfassenden Bericht einschließlich erster Verbesserungsvorschläge. Grundsätzlich sind diese Messungen durch die Konnektivität von PD-HVX auch als Online-Messung von remote möglich.

Zusätzlich bieten unsere Experten umfassende Optimierungs- und Beratungsleistungen an.

Eventuell festgestellte TE-Ereignisse werden detailliert auf ihre Systemrelevanz hin ausgewertet, das Gesamtsystem wird bewertet und entsprechende Optimierungsvorschläge entwickelt. Diese werden gemeinsam mit dem Kunden umgesetzt.

Warum FEV?: Bewährte Expertise

FEV verfügt im Feld der elektrischen Antriebe über langjährige Erfahrung in den Bereichen Leistungs- und Steuerungselektronik, Antriebselektronik und verschiedenen Bereichen der Sensorik im Fahrzeugbau.

FEV unterstützt führende Rennställe im Bereich E-Racing und hat hier umfangreiche Praxiserfahrung mit entsprechenden EDUs und ihren Schwachstellen sammeln und aufzeigen können.

Diese Expertise hat das Unternehmen nun in eine integrierte und smarte Gesamtlösung gegossen und bietet sie interessierten Fahrzeug- und Komponentenherstellern an. PD-HVX kann in allen Phasen des EDU-Entwicklungszyklus zur Messung von TE-Phänomenen eingesetzt werden.

FEV Headquarter in Aachen, Germany

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