Interessanter Beitrag zum Thema "Verkabelung in EV"
Diese Thematik habe ich auch bei der Entwicklung des i-MiEV miterlebt. Hochvoltkabel für den mobilen Einsatz mussten zuerst entwickelt werden, weil sie auf dem Markt (Zulieferanten) nicht erhältlich waren.
Jetzt ist mir auch klar, weshalb die Hochvoltleitungen im i-MiEV so dick ummantelt sind.
Lebensadern im E-Auto
Der Hochvolt-Kabelsatz verbindet die Hochvoltbatterie mit dem Elektromotor und weiteren Aggregaten mit hohem elektrischem Leistungsbedarf.
Die hohen elektrischen Spannungen und zu übertragenden Leistungen im elektrifizierten Antriebsstrang stellen neue Herausforderungen an die Dimensionierung der Kabel im Hochvolt-Kabelsatz. Standards und die Berücksichtigung realer Bedingungen im Fahrzeug sind für Leoni der Schlüssel, um technische und wirtschaftliche Potenziale zu erschließen.
Im Hybrid- oder Elektrofahrzeug kommt zusätzlich zum bisherigen Niedervolt-Bordnetz ein Hochvolt-Bordnetz zum Einsatz. Es umfasst die zweiphasige Gleichspannungs(DC)-Versorgungsleitung zwischen Hochvolt-Batterie und Leistungselektronik sowie die Verbindung zwischen Leistungselektronik und Elektromotor, die typischerweise dreiphasig ausgeführt ist. Hinzu kommen Versorgungsleitungen zu Nebenaggregaten mit mittlerem Leistungsbedarf auf der Hochvolt-Seite, wie z. B. Klimakompressor, elektrische Heizer oder elektrische Lenkung.
Aufgrund der hohen zu übertragenden Leistungen kommen hohe Spannungen im Hochvolt-Bordnetz zum Einsatz, die abhängig vom Umfang der Elektrifizierung von 100 Volt im Hybridfahrzeug bis zu 1.000 Volt bei Nutzfahrzeugen reichen.
Der Niedervolt-Kabelsatz bleibt unverändert, lediglich das Routing wird durch die Hochvolt-Komponenten und die veränderte Gesamtarchitektur des Fahrzeugs beeinflusst.
Schutz vor Feuchtigkeit
Die Hochvolt-Verbindungssysteme müssen auf die Anforderungen im Automobil ausgerichtet sein, wobei der Schutz vor Feuchtigkeit besonderes Augenmerk erfordert. Denn anders als beim 12-V-Leitungssatz, der nur in Feuchträumen gedichtet sein muss, muss eine Hochvolt-Verbindung stets perfekt dicht sein. Hinzu kommt die Anforderung nach einer möglichst kompakten Verbindung, die auch hohen Temperaturen und schnellen Temperaturwechseln standhält. Die Anforderungen an die obere Dauereinsatztemperatur reichen von unter 100 °C (Battery Electric Vehicle, BEV) bis hin zu 200 °C bei Hybridfahrzeugen.
Während für das Niedervolt-Bordnetz zahlreiche standardisierte, geprüfte Komponenten vorhanden sind, stellt sich die Ausgangslage beim Hochvolt-Bordnetz anders dar. Hier gibt es kaum einheitliche Standards und Schnittstellen, sodass sich die verbauten Komponenten bei den verschiedenen Zulieferern und Automobilherstellern oft deutlich voneinander unterscheiden. Die wenigen vorhandenen Spezifikationen dominieren viele Sicherheitsfaktoren. Die daraus resultierende Variantenvielfalt in Verbindung mit den vergleichsweise geringen Mengen führt zu unnötig hohen Kosten. Deshalb müssen schnell praxisgerechte Standards für Schnittstellen und Komponenten geschaffen werden.
Auswahl und Dimensionierung der Hochvolt-Leitungen
Auswahl und Dimensionierung der Hochvolt-Leitungen bestimmen Aspekte wie Bauraum und Gewicht, Stromtragfähigkeit, elektromagnetische Verträglichkeit und Spannungsniveau. Die Leitungsquerschnitte reichen von 2,5 bis 6 mm² (Versorgung von Nebenaggregaten) bis 16 bis 35 mm² und größer für die Versorgungsleitung von der Hochvolt-Batterie und für die Motorleitung. Die Leitungen sind ein- oder mehradrig und mit Geflechtschirm ausgeführt.
Ist ausreichend Bauraum vorhanden, kann der Einsatz von Aluminium anstatt von Kupfer als Leitermaterial eine Alternative darstellen. Interessant wird das Leichtmetall als Leiterwerkstoff durch seine sehr niedrige Dichte. Diese beträgt nur zirka 30 Prozent der Dichte von Kupfer. Zwar ist die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium um rund 35 Prozent geringer als die von Kupfer. Bei gleichem elektrischem Widerstand kann aber beispielsweise ein Kupferleiter mit dem Querschnitt 50 mm² durch einen Aluminiumleiter mit Querschnitt 80 mm² ersetzt werden. Bei einer solchen Hochvolt-Leitung beträgt die Gewichtsersparnis pro Leitungsmeter zirka 0,2 kg. Gerade bei BEVs kann der Gewichtsvorteil aufgrund der limitierten Reichweite einen erheblich höheren Kundennutzen bedingen als im Fahrzeug mit konventionellem Verbrennungsmotor.
Die technische Hürde für den Einsatz von Aluminium liegt üblicherweise in der Verbindungstechnologie. Im Hochvolt-Bordnetz liegt die Verbindungsstelle im abgedichteten Bereich, sodass auf die sonst notwendigen Schutzmaßnahmen vor elektrochemischer Korrosion verzichtet werden kann.
Der Kabelquerschnitt
Die zu übertragende Stromstärke ist Grundlage für die Dimensionierung des Kabelquerschnitts und der Kontakte im Verbindungssystem. Dabei beeinflusst der Kabelquerschnitt die Wärmeentwicklung. In der Praxis wird der Querschnitt genau so groß gewählt, dass sich die Leitung nicht zu stark erwärmt, andererseits aber durch einen möglichst kleinen Querschnitt Bauraum, Kosten und Gewicht gespart werden. Diesen Zielkonflikt kann auch ein höher temperaturbeständiges Isolationsmaterial lösen, das höhere Leitererwärmungen erlaubt, z. B. durch temporäre Stromspitzen, ohne dass der Leiterquerschnitt vergrößert werden muss.
Optimal dimensionieren lässt sich der Kabelquerschnitt, wenn ein reales Stromszenario aus dem Fahrzyklus für die Auslegung zugrunde gelegt werden kann. Leitungen mit großen Querschnitten verhalten sich thermisch träge, sodass hohe kurzzeitige Stromimpulse nur zu geringen Leitungserwärmungen führen. In der Simulation wird deutlich, dass das reale Lastprofil zu einer deutlich geringeren Erwärmung führt als der Maximalstrom aus dem Lastprofil. Wählt man den Durchschnittsstrom des realen Lastprofils als Grundlage für die Dimensionierung, so ergibt sich bereits eine gute Annäherung der Erwärmung im Vergleich zum realen Lastfall. Im Beispiel kann für dieses Stromprofil anstatt einer Leitung mit Querschnitt 25 mm² ein Querschnitt von 10 mm² bei gleicher Temperaturbeständigkeit der Isolierung eingesetzt werden.
Konsistentes elektromagnetisches Schirmungskonzept
Antriebskomponenten werden mittels schneller Taktung über Strom- oder Frequenzumrichter betrieben. Je nach Betriebszustand und gewählter Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugen die steilen Flanken der Schaltvorgänge ein Oberwellenspektrum, wobei energiereiche Oberwellen bis in den mittleren MHz Bereich auftreten. Daher ist auf ein konsistentes elektromagnetisches Schirmungskonzept zu achten, um eine Störung anderer Systemkomponenten zu vermeiden. Einerseits beeinflusst die Schirmung die Kosten des Kabelsatzes wesentlich, andererseits basieren die Anforderungen oft auf unsicherer Systemkenntnis und sind daher eher zu konservativ.
Im unteren Frequenzbereich induziert das ausgesendete Magnetfeld einen Strom im Schirm, den der Schirm selbst ableiten muss. Im Wesentlichen erfordert dies einen dichten, möglichst leitfähigen Schirm, d. h. der Schirm muss eine hohe Stromtragfähigkeit besitzen. Die höherfrequenten Anteile des Magnetfelds folgen jedoch anderen Gesetzmäßigkeiten. Bei einem Geflechtschirm gibt es zwischen den Drähten und bei jeder Überlappung winzige Lücken und Spalten, die die kurzwelligen elektromagnetischen Wellen durchdringen können. Im hochfrequenten Bereich kann die Schirmwirkung durch eine Kombination aus Geflecht- und zusätzlichem leitfähigen Folienschirm verbessert werden. Andererseits beeinflusst eine Schirmfolie die Konfektionierbarkeit.
Die im Vergleich zum konventionellen Bordnetz hohen Spannungen sowie die in der Regel mit Wechselspannung betriebene Verbindung zwischen Leistungselektronik und Elektromotor sind für Automobilanwendungen weitgehend Neuland. Aus der Mittelspannungstechnik ist aber bekannt, dass hohe und vor allem wechselnde elektrische Felder zu Corona- und Teilentladungseffekten führen können, welche die Lebensdauer der Isolation drastisch verkürzen können.
Teilentladungseinsatzspannung
Teilentladungseffekte werden durch eine inhomogene Verteilung des elektrischen Feldes sowie mögliche Fehlstellen wie Lufteinschlüsse oder Inhomogenitäten innerhalb der Isolationsschicht begünstigt. Bei Überschreiten der lokalen Durchschlagsfeldstärke kann dies zu einer Teilentladung innerhalb der Isolationsschicht führen. Die Spannung, bei der erste Teilentladungsvorgänge einsetzen, wird als Teilentladungseinsatzspannung (TEE) bezeichnet.
In einer Versuchsreihe bei Raumtemperatur wurde der Einfluss von dünnen Isolationswandstärken, wie sie für Automobilanforderungen häufig gefordert werden, und von in Automobilanwendungen gängigen Isolationsmaterialien auf das Auftreten von Teilentladungsvorgängen untersucht. Für die Messungen wurden einadrig geschirmte Hochvolt-Leitungen mit unterschiedlichem geometrischen Aufbau herangezogen. Alle Versuche wurden innerhalb einer geschützten EMV-Kabine mit Leitungslängen von 25 Metern durchgeführt. Dabei wurde jeweils die TEE sowie die Teilentladungsaussatzspannung (TEA) bestimmt.
Bei gleichem Isolationsmaterial wies eine dünnwandig isolierte Leitung (FLR) gegenüber einer dickwandig isolierten Leitung (FL) einen um rund 10 Prozent niedrigeren Wert der TEE auf. Eine dickwandig isolierte Leitung mit anderem Isolationsmaterial führte gegenüber der dickwandig isolierten Referenzleitung zu einer um 25 Prozent reduzierten TEE.
Da HV-Leitungen, wie vorher beschrieben, häufig bei hohen Temperaturen betrieben werden, wurde in einer zweiten Versuchsreihe der Einfluss der Leitungstemperatur auf die Teilentladung untersucht. Hierbei zeigt sich, dass die Teilentladungen bei höheren Betriebstemperaturen früher einsetzen. Die TEE lag in einem Bereich, bei dem ein Auftreten von Teilentladungseffekten bei höheren Betriebsspannungen des Elektromotors nicht ausgeschlossen werden kann.
Fazit
Ein wesentlicher Faktor in der Auslegung des Hochvolt-Bordnetzes ist die richtige Auswahl und Dimensionierung der Kabel, von der Werkstoffauswahl über die auf das System abgestimmte Auslegung von EMV-Eigenschaften bis hin zu den Leiterquerschnitten anhand von realen Stromprofilen. Die Untersuchungen zu Teilentladungseffekten zeigen auf, dass dieser Effekt bei Automobilanwendungen bei höheren Systemspannungen in die Auslegung der Komponenten einbezogen werden muss.
Quelle: Dr. Helmut Kalb, Vice President Business Unit Electromobility, Leoni
Diese Thematik habe ich auch bei der Entwicklung des i-MiEV miterlebt. Hochvoltkabel für den mobilen Einsatz mussten zuerst entwickelt werden, weil sie auf dem Markt (Zulieferanten) nicht erhältlich waren.
Jetzt ist mir auch klar, weshalb die Hochvoltleitungen im i-MiEV so dick ummantelt sind.
Lebensadern im E-Auto
Der Hochvolt-Kabelsatz verbindet die Hochvoltbatterie mit dem Elektromotor und weiteren Aggregaten mit hohem elektrischem Leistungsbedarf.
Die hohen elektrischen Spannungen und zu übertragenden Leistungen im elektrifizierten Antriebsstrang stellen neue Herausforderungen an die Dimensionierung der Kabel im Hochvolt-Kabelsatz. Standards und die Berücksichtigung realer Bedingungen im Fahrzeug sind für Leoni der Schlüssel, um technische und wirtschaftliche Potenziale zu erschließen.
Im Hybrid- oder Elektrofahrzeug kommt zusätzlich zum bisherigen Niedervolt-Bordnetz ein Hochvolt-Bordnetz zum Einsatz. Es umfasst die zweiphasige Gleichspannungs(DC)-Versorgungsleitung zwischen Hochvolt-Batterie und Leistungselektronik sowie die Verbindung zwischen Leistungselektronik und Elektromotor, die typischerweise dreiphasig ausgeführt ist. Hinzu kommen Versorgungsleitungen zu Nebenaggregaten mit mittlerem Leistungsbedarf auf der Hochvolt-Seite, wie z. B. Klimakompressor, elektrische Heizer oder elektrische Lenkung.
Aufgrund der hohen zu übertragenden Leistungen kommen hohe Spannungen im Hochvolt-Bordnetz zum Einsatz, die abhängig vom Umfang der Elektrifizierung von 100 Volt im Hybridfahrzeug bis zu 1.000 Volt bei Nutzfahrzeugen reichen.
Der Niedervolt-Kabelsatz bleibt unverändert, lediglich das Routing wird durch die Hochvolt-Komponenten und die veränderte Gesamtarchitektur des Fahrzeugs beeinflusst.
Schutz vor Feuchtigkeit
Die Hochvolt-Verbindungssysteme müssen auf die Anforderungen im Automobil ausgerichtet sein, wobei der Schutz vor Feuchtigkeit besonderes Augenmerk erfordert. Denn anders als beim 12-V-Leitungssatz, der nur in Feuchträumen gedichtet sein muss, muss eine Hochvolt-Verbindung stets perfekt dicht sein. Hinzu kommt die Anforderung nach einer möglichst kompakten Verbindung, die auch hohen Temperaturen und schnellen Temperaturwechseln standhält. Die Anforderungen an die obere Dauereinsatztemperatur reichen von unter 100 °C (Battery Electric Vehicle, BEV) bis hin zu 200 °C bei Hybridfahrzeugen.
Während für das Niedervolt-Bordnetz zahlreiche standardisierte, geprüfte Komponenten vorhanden sind, stellt sich die Ausgangslage beim Hochvolt-Bordnetz anders dar. Hier gibt es kaum einheitliche Standards und Schnittstellen, sodass sich die verbauten Komponenten bei den verschiedenen Zulieferern und Automobilherstellern oft deutlich voneinander unterscheiden. Die wenigen vorhandenen Spezifikationen dominieren viele Sicherheitsfaktoren. Die daraus resultierende Variantenvielfalt in Verbindung mit den vergleichsweise geringen Mengen führt zu unnötig hohen Kosten. Deshalb müssen schnell praxisgerechte Standards für Schnittstellen und Komponenten geschaffen werden.
Auswahl und Dimensionierung der Hochvolt-Leitungen
Auswahl und Dimensionierung der Hochvolt-Leitungen bestimmen Aspekte wie Bauraum und Gewicht, Stromtragfähigkeit, elektromagnetische Verträglichkeit und Spannungsniveau. Die Leitungsquerschnitte reichen von 2,5 bis 6 mm² (Versorgung von Nebenaggregaten) bis 16 bis 35 mm² und größer für die Versorgungsleitung von der Hochvolt-Batterie und für die Motorleitung. Die Leitungen sind ein- oder mehradrig und mit Geflechtschirm ausgeführt.
Ist ausreichend Bauraum vorhanden, kann der Einsatz von Aluminium anstatt von Kupfer als Leitermaterial eine Alternative darstellen. Interessant wird das Leichtmetall als Leiterwerkstoff durch seine sehr niedrige Dichte. Diese beträgt nur zirka 30 Prozent der Dichte von Kupfer. Zwar ist die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium um rund 35 Prozent geringer als die von Kupfer. Bei gleichem elektrischem Widerstand kann aber beispielsweise ein Kupferleiter mit dem Querschnitt 50 mm² durch einen Aluminiumleiter mit Querschnitt 80 mm² ersetzt werden. Bei einer solchen Hochvolt-Leitung beträgt die Gewichtsersparnis pro Leitungsmeter zirka 0,2 kg. Gerade bei BEVs kann der Gewichtsvorteil aufgrund der limitierten Reichweite einen erheblich höheren Kundennutzen bedingen als im Fahrzeug mit konventionellem Verbrennungsmotor.
Die technische Hürde für den Einsatz von Aluminium liegt üblicherweise in der Verbindungstechnologie. Im Hochvolt-Bordnetz liegt die Verbindungsstelle im abgedichteten Bereich, sodass auf die sonst notwendigen Schutzmaßnahmen vor elektrochemischer Korrosion verzichtet werden kann.
Der Kabelquerschnitt
Die zu übertragende Stromstärke ist Grundlage für die Dimensionierung des Kabelquerschnitts und der Kontakte im Verbindungssystem. Dabei beeinflusst der Kabelquerschnitt die Wärmeentwicklung. In der Praxis wird der Querschnitt genau so groß gewählt, dass sich die Leitung nicht zu stark erwärmt, andererseits aber durch einen möglichst kleinen Querschnitt Bauraum, Kosten und Gewicht gespart werden. Diesen Zielkonflikt kann auch ein höher temperaturbeständiges Isolationsmaterial lösen, das höhere Leitererwärmungen erlaubt, z. B. durch temporäre Stromspitzen, ohne dass der Leiterquerschnitt vergrößert werden muss.
Optimal dimensionieren lässt sich der Kabelquerschnitt, wenn ein reales Stromszenario aus dem Fahrzyklus für die Auslegung zugrunde gelegt werden kann. Leitungen mit großen Querschnitten verhalten sich thermisch träge, sodass hohe kurzzeitige Stromimpulse nur zu geringen Leitungserwärmungen führen. In der Simulation wird deutlich, dass das reale Lastprofil zu einer deutlich geringeren Erwärmung führt als der Maximalstrom aus dem Lastprofil. Wählt man den Durchschnittsstrom des realen Lastprofils als Grundlage für die Dimensionierung, so ergibt sich bereits eine gute Annäherung der Erwärmung im Vergleich zum realen Lastfall. Im Beispiel kann für dieses Stromprofil anstatt einer Leitung mit Querschnitt 25 mm² ein Querschnitt von 10 mm² bei gleicher Temperaturbeständigkeit der Isolierung eingesetzt werden.
Konsistentes elektromagnetisches Schirmungskonzept
Antriebskomponenten werden mittels schneller Taktung über Strom- oder Frequenzumrichter betrieben. Je nach Betriebszustand und gewählter Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugen die steilen Flanken der Schaltvorgänge ein Oberwellenspektrum, wobei energiereiche Oberwellen bis in den mittleren MHz Bereich auftreten. Daher ist auf ein konsistentes elektromagnetisches Schirmungskonzept zu achten, um eine Störung anderer Systemkomponenten zu vermeiden. Einerseits beeinflusst die Schirmung die Kosten des Kabelsatzes wesentlich, andererseits basieren die Anforderungen oft auf unsicherer Systemkenntnis und sind daher eher zu konservativ.
Im unteren Frequenzbereich induziert das ausgesendete Magnetfeld einen Strom im Schirm, den der Schirm selbst ableiten muss. Im Wesentlichen erfordert dies einen dichten, möglichst leitfähigen Schirm, d. h. der Schirm muss eine hohe Stromtragfähigkeit besitzen. Die höherfrequenten Anteile des Magnetfelds folgen jedoch anderen Gesetzmäßigkeiten. Bei einem Geflechtschirm gibt es zwischen den Drähten und bei jeder Überlappung winzige Lücken und Spalten, die die kurzwelligen elektromagnetischen Wellen durchdringen können. Im hochfrequenten Bereich kann die Schirmwirkung durch eine Kombination aus Geflecht- und zusätzlichem leitfähigen Folienschirm verbessert werden. Andererseits beeinflusst eine Schirmfolie die Konfektionierbarkeit.
Die im Vergleich zum konventionellen Bordnetz hohen Spannungen sowie die in der Regel mit Wechselspannung betriebene Verbindung zwischen Leistungselektronik und Elektromotor sind für Automobilanwendungen weitgehend Neuland. Aus der Mittelspannungstechnik ist aber bekannt, dass hohe und vor allem wechselnde elektrische Felder zu Corona- und Teilentladungseffekten führen können, welche die Lebensdauer der Isolation drastisch verkürzen können.
Teilentladungseinsatzspannung
Teilentladungseffekte werden durch eine inhomogene Verteilung des elektrischen Feldes sowie mögliche Fehlstellen wie Lufteinschlüsse oder Inhomogenitäten innerhalb der Isolationsschicht begünstigt. Bei Überschreiten der lokalen Durchschlagsfeldstärke kann dies zu einer Teilentladung innerhalb der Isolationsschicht führen. Die Spannung, bei der erste Teilentladungsvorgänge einsetzen, wird als Teilentladungseinsatzspannung (TEE) bezeichnet.
In einer Versuchsreihe bei Raumtemperatur wurde der Einfluss von dünnen Isolationswandstärken, wie sie für Automobilanforderungen häufig gefordert werden, und von in Automobilanwendungen gängigen Isolationsmaterialien auf das Auftreten von Teilentladungsvorgängen untersucht. Für die Messungen wurden einadrig geschirmte Hochvolt-Leitungen mit unterschiedlichem geometrischen Aufbau herangezogen. Alle Versuche wurden innerhalb einer geschützten EMV-Kabine mit Leitungslängen von 25 Metern durchgeführt. Dabei wurde jeweils die TEE sowie die Teilentladungsaussatzspannung (TEA) bestimmt.
Bei gleichem Isolationsmaterial wies eine dünnwandig isolierte Leitung (FLR) gegenüber einer dickwandig isolierten Leitung (FL) einen um rund 10 Prozent niedrigeren Wert der TEE auf. Eine dickwandig isolierte Leitung mit anderem Isolationsmaterial führte gegenüber der dickwandig isolierten Referenzleitung zu einer um 25 Prozent reduzierten TEE.
Da HV-Leitungen, wie vorher beschrieben, häufig bei hohen Temperaturen betrieben werden, wurde in einer zweiten Versuchsreihe der Einfluss der Leitungstemperatur auf die Teilentladung untersucht. Hierbei zeigt sich, dass die Teilentladungen bei höheren Betriebstemperaturen früher einsetzen. Die TEE lag in einem Bereich, bei dem ein Auftreten von Teilentladungseffekten bei höheren Betriebsspannungen des Elektromotors nicht ausgeschlossen werden kann.
Fazit
Ein wesentlicher Faktor in der Auslegung des Hochvolt-Bordnetzes ist die richtige Auswahl und Dimensionierung der Kabel, von der Werkstoffauswahl über die auf das System abgestimmte Auslegung von EMV-Eigenschaften bis hin zu den Leiterquerschnitten anhand von realen Stromprofilen. Die Untersuchungen zu Teilentladungseffekten zeigen auf, dass dieser Effekt bei Automobilanwendungen bei höheren Systemspannungen in die Auslegung der Komponenten einbezogen werden muss.
Quelle: Dr. Helmut Kalb, Vice President Business Unit Electromobility, Leoni
