EMC COMPLIANCE KNOW-HOW - AMETEK CTS

TECHNICAL NOTE 0116

ELECTRIC VEHICLERIPPLE DISTURBANCES

AMETEK CTS GmbH | Sternenhofstrasse 15 | 4153 Reinach | Switzerland | [email protected]

EMC COMPLIANCE KNOW-HOW

Bei einem Rippel handelt es sich um eine Spannungswelligkeit, die der Gleichspannungsversorgung überlagert ist. Diese Überlagerung kommt beispielsweise durch periodische Schaltvorgänge von Halbleiterbauelementen zu Stande.

Die größte potentielle Quelle für das Auftreten von Rippel-Spannungen stellt das elektrische Antriebssystem, vordergründig der Inverter Teil, von Elektrofahrzeugen (nachfolgend als E-Fahrzeuge bezeichnet) dar.

Die Rippel-Prüfung wird sowohl in internationalen Normen wie der ISO 21498-2 und ISO 7637-4 als auch Herstellernormen wie der MBN 11123, VW 80300 und PSA B21 7712 gefordert. Durch die sich stetig weiterentwickelnde Fahrzeugindustrie wird die Rippel Prüfung immer bedeutsamer.

Die normativen Anforderungen und Charakteristik der HV-Komponenten setzen leistungsstarkes Prüfequipment voraus.

Im Folgenden wird auf den Ursprung und die Gefahren des Rippels, die Anforderungen an das Prüfequipment, die normativen Anforderungen und die Lösung von AMETEK CTS eingegangen.

Insights and best practice


EMC COMPLIANCE KNOW-HOWInsights and best practice


Rippel – Ursprung

Durch Beschleunigungsvorgänge und eine daraus resultierende Leistungszunahme während des Fahrbetriebs kann es zu Rippel-Spannungen kommen, die der Versorgungsspannung überlagert sind.

In Abbildung 1 sind in den oberen beiden Diagrammen die Drehzahl und das Drehmoment während des Fahrbetriebes dargestellt. In Abhängigkeit der Drehzahl und des Drehmoments wurden die Spannungsverläufe und Stromverläufe in den beiden unteren Diagrammen aufgenommen. Dem Strom- und Spannungsverlauf ist eine deutlich erkennbare Welligkeit überlagert, die durch den Inverter-Teil des elektrischen Antriebssystems hervorgerufen wird.

Die auftretende Spannungswelligkeit führt zu Spannungsunterschieden auf der Versorgungss-pannung von bis zu 15 Vp, was wiederum zu einem Rippel im Stromverlauf von bis zu 325 Ap führt.

Die hohen Ströme entstehen besonders bei sehr niederimpedanten Komponenten wie HV-Batterien und HV-Invertern, worauf in den folgenden Abschnitten detaillierter eingegan-gen wird.

Figure 11

Strom und Spannung in Abhängigkeit der Drehzahl und des Drehmoments (Quelle: Daimler)Abbildung 1




Rippel – Gefahren

Durch das Auftreten eines Rippels auf der Gleichspannungsversorgung, kann es zu Fehlfunktionen der Komponenten kommen.

Ein anschauliches Beispiel dafür ist ein Rippel, der auf der Versorgung der HV-Batterie einkoppelt. Da die Messfrequenz des Batteriemanagement Systems (BMS) typischerweise bei etwa 30 kHz liegt, kann der Rippel bei entsprechender Frequenz zu einer Fehlfunktion des BMS führen und diese Fehlfunktion wiederum den Batterieschütz auslösen. Dieses Phänomen kann auch bei einigen anderen Komponenten wie bspw. DC-DC Wandlern auftreten und zu einer unerwünschten Funktionsstörung der Komponenten führen.

Darüber hinaus können durch sehr hohe Rippel-Spannungen Bauteile zerstört werden. Ein Beispiel ist in diesem Fall ein an der Versorgungsspannung des DC-DC Wandlers anliegender Rippel, der durch hohe Spannungsamplituden zur Beschädigung der Eingangsfilter führen kann.

Deshalb ist es wichtig Rippel-Prüfungen an HV-Komponenten durchzuführen, um eine ausreichende Störfestigkeit gegen auftretende Rippel-Spannungen sicher zu stellen.

Ripple currents will be transmitted to sensitive components connected to the HV network




Herausforderung – Prüflingsimpedanz

HV-Batterien und HV-Inverter weisen häufig eine niedrige mpedanz über den Frequenzverlauf auf, weshalb sie hier intensiver betrachtet werden.

HV-Batterie:Nachfolgend ist ein Beispiel eines Impedanzverlaufs einer HV-Batterie in Abhängigkeit der Frequenz dargestellt:

Wie im Impedanzverlauf aus Abbildung 2 beobachtet werden kann, geht im unteren Frequenzbereich besonders der niedrige Wirkwiderstand der Impedanz mit ein, bis der Blindwiderstand über den höheren Frequenzen steigt, wodurch der Wert der Gesamtimpedanz ebenfalls ansteigt.

Durch Zuhilfenahme des Ohmschen Gesetzes kann aus der Prüflingsimpedanz und den geforderten Prüfspannungen der benötigte Rippel-Strom und die benötigte Rippel-Leistung berechnet werden:

Frequenz Impedanz Rippel Spannung Rippel Strom Rippel Leistung

100 Hz 85 mΩ 12 Vp 141 Ap (100 Arms) 0.85 kVA

1 kHz 85.2 mΩ 24 Vp 282 Ap (200 Arms) 3.38 kVA

10 kHz 106 mΩ 24 Vp 230 Ap (161 Arms) 2.72 kVA

100 kHz 634 mΩ 8 Vp 13 Ap (9 Arms) 0.05 kVA

Impedanzverlauf einer HV-BatterieAbbildung 2

Beispielrechnung HV-BatterieTabelle 1




Der Einfluss der Prüflingsimpedanz auf den benötigten Rippel-Strom wird in folgender Darstellung klar.

Der in Abbildung 3 dargestellte Spitzenstrom wurde aus den geforderten Prüfspannungen der ISO 21498-2 und der Impedanzkurve der HV-Batterie aus Abbildung 2 ermittelt. Der Stromverlauf (orange) zeigt, dass der Rippel-Generator zur Prüfung dieses niederimpedant-en Prüflings einen maximalen Spitzenstrom von etwa 280 Ap liefern muss, was nur mit sehr leistungsstarkem Prüfequipment möglich ist.

Spitzenstrom in Abhängigkeit der Prüfspannung und PrüflingsimpedanzAbbildung 3




HV inverter

Erwähnenswert ist neben den Einflüssen der niederimpedanten HV-Batterie die Rippel-Prü-fung von HV-Invertern.

HV-Inverter verfügen über einen Eingangsfilter mit X- und Y-Kondensatoren und weisen eine sehr geringe Prüflingsimpedanz im Resonanzpunkt auf. In dem Beispiel aus Abbildung 4 sieht man, dass die Impedanz bei einer Resonanzfrequenz von etwa 6,5 kHz einen Wirkwider-stand von etwa 5 mΩ aufweist.

Bei einer Frequenz von 6,5 kHz wird nach den Vorgaben der ISO 21498-2 eine Prüfspannung von 24 Vp gefordert, woraus sich bei einer Impedanz von 5 mΩ ein Spitzenstrom von etwa 4800 Ap ergibt. Dieser Strom würde normalerweise zu einer Beschädigung der Komponente führen, was nicht Ziel der Prüfung ist.

Impedanzverlauf eines HV-InvertersAbbildung 4

Stromverlauf ermittelt aus Impedanz und Prüfspannung nach ISO 21498Abbildung 5




Es ist wichtig zu ermitteln, wie hoch der realistisch betrachtete maximale Spitzenstrom der HV-Batterie ist und welchen Strom eine Komponente maximal absorbieren muss.

In Abbildung 6 wird der maximal ermittelte Spitzenstrom in blau dargestellt, hinzu kommt der Strom, der maximal durch die Batterie geliefert und von der Komponente absorbiert werden kann. Angenommen werden 200 Ap.

Durch die Limitierung des Spitzenstroms kann die Prüfspannung entsprechend angepasst werden um die Prüfung mit dem zuvor definierten Stromlimit durchführen zu können

In Abhängigkeit der Stromlimits, wird die Prüfspannung angepasst und nimmt den orange-nen Verlauf aus Abbildung 7 an. In blau ist im Vergleich die durch ISO 21498-2 vorgegebene Prüfspannung dargestellt. Ulimit = Ilimit x Ztotal = 200 Ap x 5 mΩ (@ 6,5 kHz) = 1 Vp

Auf diese Weise ist es möglich auch Komponenten mit sehr niedrigen Impedanzen über dem Frequenzverlauf zu prüfen. Dazu benötigt man einen Rippel-Generator, der genug Leistung zur Verfügung stellen kann. Des Weitern muss der Rippel-Generator im Stande sein in Abhän-gigkeit der komponentenspezifischen Stromlimits eine an den Impedanzverlauf angepasste Prüfspannung zu liefern.

Vergleich ursprünglicher Stromverlauf zu Stromverlauf mit Limit

Abbildung 6

Prüfspannung an Prüflingsimpedanz angepasst

Abbildung 7

Beispielrechnung zur Limitierung der Prüfspannung in Abhängigkeit der PrüflingsimpedanzFormel 1




Normen

Die Rippel Prüfung wird, wie eingangs bereits erwähnt, in unterschiedlichsten internation-alen und Hersteller-Normen gefordert:

• Internationale Normen sind hier beispielsweise die ISO 21498-2 und ISO TS 7637-4• Herstellernormen sind beispielsweise die VW 80300, MBN 11123, PSA B21 7110, BMW GS

95023, GWT A D05-02, Nissan 28400 NDS91, Renault 36-00-811 und weitere

Die geforderten Spannungsamplituden und Frequenzbereiche unterscheiden sich von Norm zu Norm. Generell werden Frequenzen im Bereich von 10 Hz bis 300 kHz und Spannungsam-plituden bis zu 40 Vp gefordert.

Die unterschiedlichen Prüflevel einer Norm basieren auf dem zu erwartenden Rippel in fest-gelegten Frequenzbereichen. Da die Schaltfrequenz der meisten HV-Inverter im Bereich von 5 kHz bis 60 kHz liegt, werden die höchsten Testlevel, wie in Abbildung 8 zu sehen, für diesen Frequenzbereich definiert.

Die erste Norm, die die Rippel-Prüfung integrierte war die ISO TS 7637-4. Hier wurden nie-drige Amplituden von 12,5 Vp über einem Frequenzbereich von 3 kHz bis 300 kHz definiert. Veröffentlicht wurde die ISO TS 7637-4 als technische Spezifikation im Jahre 2021. Sie findet über die Welt verteilt Anwendung, jedoch ist sie weniger relevant als die ISO 21498-2. Die ISO 21498-2 wurde 2021 veröffentlicht. Sie basiert auf den Erfahrungswerten der LV 123 und weiteren Herstellernormen. In dieser Norm sind unterschiedliche Prüfungen wie Span-nungsvariationen, Emissionsmessungen und Rippel-Prüfungen enthalten. Heute stellt die ISO 21498-2 die ausschlaggebende Norm im Bezug auf Prüfungen an Hochspannungs-Kompo-nenten dar.

Wie in Abbildung 8 zu sehen ist, spezifiziert die ISO 21498-2 das höchste Prüflevel, was ent-sprechendes Prüfequipment verlangt.

Übersicht der geforderten Rippelspannungen der verschiedenen NormenAbbildung 8




Die DC-Quelle wird zur Versorgung des Prüflings verwendet. Bei niedrigen Frequenzen kann die DC-Quelle meist das Prüfsignal, bestehend aus Versorgungsspannung und überlagertem Rippel, direkt liefern.

Der Rippel-Generator besteht prinzipiell aus einem Signalgenerator und einem Verstärker, welche die Rippel-Spannung generieren. Anschließend wird die erzeugte Rippel-Spannung auf die Gleichspannungsversorgung aufgekoppelt.

Um eine DC-Spannung mit einem Rippel zu beaufschlagen gibt es verschiedene Kopplungs methoden wie die direkte, kapazitive oder induktive Kopplung.

Die bevorzugte Kopplungsmethode ist die Aufkopplung über Transformatoren, welche eine galvanische Trennung zwischen der Gleich- und Wechselspannungsseite bietet.

Im Vergleich zur Aufkopplung über Transformatoren stellt die direkte Kopplung eine po-tentielle Gefahr dar. Kommt es während einer Prüfung zu einem Fehlverhalten des Prüflings (z.B. einer Spannungsspitze), kann der gesamte Strom bei der direkten Koppelmethode über den AC-Verstärker auf Masse fließen, wobei es unter anderem zur Zerstörung des Prüfequip-ments kommen kann und einen unsicheren Betriebszustand darstellt.

Wie in Abbildung 9 dargestellt wird die Spannungsamplitude am Ausgang des Rippel Gener-ators gemessen und sichergestellt. Zur Verbindung zwischen Prüfling und Rippel Generator werden geschirmte Kabel verwendet. Der Schirm wird auf der Seite des Rippel Generators auf Masse geführt.

Der im vereinfachten Aufbau des Rippel-Generators dargestellte Kondensator dient der Entkopplung der DC-Quelle. Ohne diesen Kondensator kann der Rippelstrom in Richtung der DC-Quelle fließen, was zu Störungen des Prüfequipments führen kann.

Rippel Prüfungen können durch die unterschiedlichen Prüflingseinflüsse kompliziert sein. Be-sonders bei niederimpedanten Prüflingen wird sehr leistungsstarkes Prüfequipment benötigt, dass zudem über die Möglichkeit verfügt die Prüflingsimpedanz zu bestimmen und entspre-chend der kundenspezifischen Grenzen die Prüfpspannung anzupassen.

All das bietet AMETEK CTS mit den Spannungsquellen NetWave oder PowerWave und dem neuen Rippel-NX.

Testaufbau

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Vereinfachter TestaufbauAbbildung 9




Die E-Fahrzeugprüfung entwickelt sich kontinuierlich weiter. Höhere Batteriespannungen erlauben höhere Leistungen und erfordern leistungsstarkes Prüfequipment. Die Auswahl der passenden Prüfgeräte wie Rippelgeneratoren kann schwierig sein und beinhaltet Risiken.

Die nachfolgenden Punkte sollen bei der Auswahl des richtigen Rippelgenerators helfen:

1. Maximale DC SpannungIst definiert durch die DC Bus Spannung der HV Komponenten. Sie definiert die maximale Spannung der DC Quelle wie auch die benötigte Isolationsspannung der Koppeleinheit (Transformatoren). Typische Spannungen liegen im Bereich 400 bis 1000V.

2. Maximaler DC Strom…hängt stark von der Leistungsaufnahme und HV DC Spannung der Komponente ab. Batterien und Umrichter sind Hochleistungskomponenten und Strömen im Bereich 500-1000A keine Seltenheit. Hilf-saggregate wie Lader, DC-DC Umrichter etc. haben üblicherweise eine Stromaufnahme unter 100A. Der maximale DC Strom definiert die Leistung der DC Quelle und gibt einen Aufschluss über die zu erwartende Impedanz der Komponente.

3. Rippelspannung in Vp…ist vorgegeben durch die Normen oder die Spezifikation der Komponente. Typische Werte liegen im Bereich 5Vp bis 40Vp. Sie definiert die maximale Ausgangsspannung sowie AC-Leistung des Rippelgener-ators.

4. Impedanz der Komponente…ist ein sehr wichtiger Parameter um Rippelspannung- und Leistung zu definieren. Die Impedanz kann Abgeschätzt (DC Widerstand), simuliert oder gemessen werden. Es ist wichtig nicht nur den DC-Wider-stand zu kennen, sondern die Impedanz über den gesamten Frequenzbereich zu kennen (z.B. 10 Hz – 150kHz bei ISO 21498). Typische Werte sind um 20-100 mΩ für HV Batterien, 100 mΩ für Inverter und um 1 Ω für Hilfskomponenten.

5. Rippelstrom in Ap…ist einerseits gegeben durch die geforderte Rippelspannung und die Impedanz der Komponente (Ohmsches Gesetz). Andererseits durch den maximalen Strom der auf dem Fahrzeug zu erwarten oder durch die Spezifikation vorgegeben ist. Wichtig ist es, den geforderten Rippelstrom über die gesamte Prüffrequenz zu berechnen. Der Rippelgenerator sollte in der Lage sein, den Rippelstrom zu begrenzen um die Komponenten nicht zu beschädigen.

6. Anschlussmöglichkeit des PrüflingsEinige Komponenten wie HV Batterien oder Inverter werden in speziellen Prüfständen aufgebaut oder in Klimakammern betrieben. Das erschwert den Anschluss an den Rippelgenerator und bedingt lange Anschlussleitungen. Eine abgesetzte Spannungsmessung (Sense) kompensiert den Spannungsverlust in den Zuleitungen und garantiert die geforderten Prüfpege.

7. Integration in PrüfstandRippelprüfungen sind aufwändig und können sich über mehrere Wochen erstrecken. HV Batterien zum Beispiel müssen bei verschiedensten Ladezuständen (SoC) und Ladez- sowie Entladezyklen geprüft werden. Dazu ist es sinnvoll, die Rippelprüfung zu automatisieren, was entsprechende Schnittstellen und Funktionalität des Rippelgenerators voraussetzt.

8. Sicherheit für Bediener und PrüflingRippelprüfungen sind Hochvoltprüfungen mit einem hohen Gefahrenpotenzial. Entsprechend muss der Rippelgenerator sicher betrieben und in bestehende Sicherheitskonzepte integrierbar sein. Eine galvanis-che Isolierung zwischen der DC-Hochspannung und dem AC Rippelgenerator ist daher sinnvoll.

9. ErweiterbarkeitDie E-Fahrzeugtechnologie entwickelt sich ständig weiter und damit auch die Normen und Prüfanlagen. Der Trend ist klar zu höheren DC-Spannungen und schnelleren Ladezyklen, was höhere Ladeströme bed-ingt. Ein Rippelgenerator muss den Anforderungen von heute und morgen genügen. Eine Erweiterbarkeit der DC-Stromtragfähigkeit oder AC Rippelleistung ist daher sinnvoll.

10. Einfache BedienungDurch die Komplexität war der Aufbau und die Bedienung eines Rippelgenerators lange Spezialisten vor-behalten. Heute sind kompakte und voll-integrierte Rippelgeneratoren erhältlich, die es auch nicht-Spe-zialisten ermöglichen, effizient und sicher Rippelprüfungen an HV-Komponenten durchzuführen.

Zusammenfassung




Über AMETEK CTS

AMETEK CTS ist ein globaler Leader für EMV Konformitätsprüfung und RF Leistungsverstärker. AMETEK entwickelt und produziert Prüfequipment seit mehr als 30 Jahren und vereint die Marken EM Test, Teseq, IFI und Milmega. Produziert wird ein breites Portfolio von spezialisierten Lösungen, abgestimmt auf die individuellen Bedürfnisse von Herstellern verschiedenster Industrien:

FahrzeugbauVerteidigung, Luft- und RaumfahrtUnterhaltungs- und HaushaltselektronikMedizinaltechnikErneuerbare Energien

Aus den Entwicklungs- und Produktionsstandorten in der Schweiz, Deutschland und Grossbritanien werden weltweit Kunden mit innovativen Lösungen für komplexe Anforderungen zur EMV Konformität bedient.

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EUT supply 1500 VDC / 300A 1000 VDC / 300A 1000 VDC / 600 A 1000 VDC / 1000 A

Ripple power 800 VA 2.5kVA 5 kVA 10 kVA

Bandwidth 200 Hz – 300kHz 200 Hz – 300 kHz 200 Hz – 300 kHz 200 Hz – 300 kHz

Outputs 1 1 2 2

Capacitor bank C-Box 10/100-1000 Yes, included Yes, included Yes, included

NEW high power ripple generator for EV component testing Batteries, inverters, DC-DC converters, OBC and more

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