Durch den Betrieb unter Hochleistung erzeugen elektrische Systeme in aktuellen Elektrofahrzeugen elektromagnetische Interferenzen (EMI). So wird beispielsweise durch das schnelle Aufladen einer Batterie in kurzer Zeit ein hoher Energietransfer mit einer Stromstärke von bis zu 400 A durchgeführt. Auf diese Weise entstehen starke Störsignale, die zu Fehlfunktionen bei zahlreichen elektrischen Komponenten führen können – beispielsweise im Batteriemanagementsystem, in elektronischen Motorantriebssteuerungen, bei Sensoren und Sicherheitssystemen.

Bild 1: Für bisherige stromkompensierte Drosseln sind bis zu 21 Ringkerne notwendig, um bei 125 A EMI zu filern. Die Drosseln von Schaffner benötigen jedoch nur etwa ein Viertel des Platzes.

Bild 1: Für bisherige stromkompensierte Drosseln sind bis zu 21 Ringkerne notwendig, um bei 125 A EMI zu filtern. Die Drosseln von Schaffner benötigen jedoch nur etwa ein Viertel des Platzes. Schaffner

Bisherige Entstörfilter zum Schutz empfindlicher elektronischer Komponenten benötigen einen Stromschienenfilter mit bis zu 21 Ringkernen, wodurch das Gewicht der EMI-Filter ansteigt und sie wichtigen Platz im engen Antriebsstrang belegen. Schaffner hat deshalb stromkompensierte Drosseln für Stromstärken von 80 bis 400 A entwickelt, die bereits mit nur einem Kern die erforderliche EMI-Performance erbringen (Bild 1).

Die Drosseln sind nur halb so schwer wie herkömmliche Lösungen und benötigen nur etwa ein Viertel des bisherigen Platzes. Dadurch lassen sie sich raumsparend in Hybrid- oder Elektrofahrzeuge einbauen und schützen vor EMI-Störungen.

Intelligentes Stromschienen-Design

Eine gewöhnliche Drossel besteht aus einem magnetischen Kern und zwei Spulen, die sich umeinanderwinden. Dabei ist die EMI-Reduktion einerseits von der Anzahl der Umwindungen um den Kern abhängig und andererseits von den magnetischen Eigenschaften des Kerns. Die größte Herausforderung für einen EMI-Filter ist der Einsatz einer solchen Drossel für Anwendungen unter Hochstrom. Dort kommen üblicherweise bei einer Stromstärke von 80 bis 400 A Stromleiter mit einem großen Querschnitt (32 bis 160 mm2) zum Einsatz, die sich jedoch nur schwierig um den magnetischen Kern wickeln lassen. Bei bisherigen Ansätzen werden daher für Anwendungen im Hochstrombereich (beispielsweise 125 A) zwei Stromschienen durch einen Ringkern geführt und weisen damit theoretisch eine Umwindung auf. Um die notwendige Reduzierung von EMI zu erreichen, ist bei diesem Ansatz eine große Anzahl an Ringkernen notwendig. Schaffner suchte daher nach einer Möglichkeit, die Kupfermenge auf kleinem Raum zu erhöhen, und zeigte, dass sich zwar auch die Stromleiter für den Filtereffekt nutzen lassen, doch deren bisherige Form keine platzsparende Anordnung um den Kern ermöglichte. Durch eine Modifizierung des Designs der Stromleiter ließen sie sich besser an den Magnetkern anlegen.

Bild 2: Schaffner bietet stromkompensierte Drosseln für den Bereich von 80 bis 400 A an. Die kompakten Bauteile nehmen besonders im knapp bemessenen Bauraum in E-Fahrzeugen wenig Platz ein.

Bild 2: Schaffner bietet stromkompensierte Drosseln für den Bereich von 80 bis 400 A an. Die kompakten Bauteile nehmen besonders im knapp bemessenen Bauraum in E-Fahrzeugen wenig Platz ein. Schaffner

Die stromkompensierte Drossel mit maximalen Abmessungen von 95 mm × 56 mm wiegt 1,2 kg und ist für eine Temperatur von -55 bis 150 °C ausgelegt (Bild 2). Für einen Betrieb bis zu 400 A nutzt die Drossel zwar weiterhin einen Magnetkern mit einem Stromleiter, aber die äußeren Stromschienen winden sich nun um dieses Zentrum und erhöhen auf diese Weise die Filterfunktion. Diese spezielle Anordnung führt zu einem ähnlichen Effekt wie bei einem gewöhnlichen Kupferdraht, doch auf diese Weise lässt sich deutlich mehr Metall in einem einzigen Bauteil verwenden und somit eine bessere Filterleistung erzielen.

Modulares Konzept

Das Gehäuse der Drossel ist modular aufgebaut, sodass sie sich auch an individuelle Anforderungen anpassen lässt. Dadurch stellt der Hersteller die Leistung der Spulen bei einer Bandbreite unterschiedlicher Anwendungen sicher – von 10 kHz bis 100 MHz. Zusätzlich bietet Schaffner im Vorfeld eine Beratung an, um die geeigneten Materialien für das jeweilige Einsatzgebiet empfehlen zu können. Beispielsweise eignet sich ein Ringkern aus dem Ferritmaterial MnZn (Mangan-Zink) oder Nanokristallen für Anwendungen im Kilohertz-Bereich, während ein Ferritmaterial bestehend aus NiZn (Nickel-Zink) im Megahertz-Frequenzbereich vorteilhafter ist. Auch die Verwendung anderer Metalle wie Aluminium oder die Verbindung verschiedener magnetischer Materialien ist möglich.