Elektromobilität und Elektromagnetische Verträglichkeit eines BMS Moduls

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1 Robert Palme FH Nordhausen, Frank Gräbner* Ass.Prof.(BG) Dr., Christian Kallemyer* Dipl.-Ing.(FH), Gunther Schmidt*Dipl.-Ing., Axel Hungsberg* st.cert. Engineer * Hörmann IMG GmbH, An der Salza 8a, Nordhausen, info@hoermann-img.de Elektromobilität und Elektromagnetische Verträglichkeit eines BMS Moduls 1. Einleitung Auch wirtschaftlich wird in den nächsten Jahren die Elektromobilität eine immer stärkere Rolle einnehmen. Bisherige Elektrofahrzeuge und E Fahrzeugkonzepte weisen aber auch auf Grund der Neuartigkeit viele technischen Probleme und technische Kinderkrankenheiten auf. Eines dieser Probleme ist die hohe Störanfälligkeit und große Störaussendung von leitungsgebundenen EMV Effekten und gestrahlten EMV Störungen. Ein spezielles Hauptproblem im Elektromobil ist der Störsichere Aufbau ( EMV ) und die Realisierung eines BMS Systems für elektrische Hochvolt Energiespeicher. Die Konzentration der Elektronik und Mikroprozessortechnik in unserer Umgebung führt immer häufiger zur gegenseitigen Störung, was zu einer Beeinflussung dieser Systeme bis hin zum Funktionsausfall führen kann. Primär wird versucht, durch entsprechendes Schaltungs- und Layoutdesign die Geräte abstrahl- und einstrahlfest zu machen. Oftmals ist die damit zu erzielende Störfestigkeit aber nicht ausreichend, sodass zusätzlich abschirmende Gehäuse erforderlich sind. Neben diesen technischen Aspekten müssen auch die gesetzlichen Anforderungen betrachtet werden. Auch wenn die Normung noch am Anfang steht und es auch keine gesetzlichen Vorgaben gibt. So ist als Normungsänderung die EU Richtlinie ECE R 10 ( Draft 2010 ) in Diskussion. Diese Richtlinienänderung beachtet als Vorschlag in Zukunft den Effekt der Leitungsimpedanz und Spannungsverhältnisse einer Batterieladestation. In dieser vorgestellten Arbeit wird die leitungsgebundene EMV eines BMS / Akku Packs modelliert, gemessen und in einer E Fahrzeugnachbildung bewertet. 2. Li-Ionen Batteriemodell mit parallel geschalteten Batteriemanagementsystem

2 Li-Ionen Akku Batteriemanagementsystem Bild 1.: Dieses Modell zeigt die Verknüpfung von einem Batteriemanagementsystem und einer Li-Ionen Batterie. Der Akkumulator basiert auf einer Publikation der TU-Dortmund, die das oben stehende Netzwerk der Batterie in VHDL-AMS mit dazugehörigen EMV-relevanten Größen simuliert haben. Hier jedoch wird die zeitliche Änderung des Lade-bzw. Entladestromes vernachlässigt und von dem vollen Ladezustand ausgegangen. Mittels dieser Annahme kann mit berechneten und gemessenen digitalen Signalgrößen in einfachen Schaltungssimulationsprogrammen simuliert werden. Parallel dazu wird ein Batteriemanagementsystem, welches die Regelung und Überwachung des Akkus als seine Aufgabe hat, geschalten. Berechnete Kopplungen NF-Netzwerk Bild 2: Das Batteriemanagementsystem besteht aus einem gemessenen NF-Netzwerk, berechneten Kopplungen, zwei Widerständen gegen Masse und einem Taktgeber. C_BMS, R_BMS und L_BMS bilden die niederfrequent gemessenen Werte, die aus dem BMS im Frequenzbereich bis 1 khz, ausgelesen wurden. Der hochfrequente Bereich wird von den rechnerisch ermittelten, statischen Größen C_BMS_HF, CM_BMS, L_BMS_HF, RM_BMS, abgedeckt. Diese berechneten Werte bilden einen Teil der EMV, da eine vollständige Berechnung der Kopplungen zwischen den Leiterbahnen sowie Leiterbahnen zur Masse nur vereinfacht möglich ist. Der Takt im BMS wird von der Spannungsquelle V2 dargestellt. Sie ist ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von einem Megahertz.

3 Im Gesamten veranschaulicht dieses Netzwerk eine simulationsfertige Verschaltung von einem Li- Ionen Akku mit dazugehörigem BMS unter Einbeziehung der elektromagnetischen Kopplungen, welche einen Einfluss auf die Elektronik nehmen können. Es ist eine Simulation mit welchem System? der Funkstörspannung möglich. Simulation eines 14,4 V Li-Ionen Akkus mit BMS und kapazitiver EMV Kopplung: Bild 3: Es ist zu erkennen, dass sich die Funkstörspannung bis zu einem Megahertz in einem Bereich von 60dBµV bis 70dBµV bewegt, lediglich bei 650 khz ist ein Abfall auf ca. 50dBµV zu beobachten. Danach in bis zu einer Frequenz von 30 Megahertz ist ein Abfall auf ungefähr30dbµv zu vernehmen. Simulation eines 14.4 V Li-Ionen Akkus ohne EMV: Bild 4:

4 Es ist zu sehen, dass die Funktstörspannung bei niedrigen Frequenzen bei 40dBµV liegt und recht schnell in den Bereich zwischen 0dBµV und 20dBµV abfällt. Ab einem Megahertz treten vereinzelt Peaks auf, die bis zu 45dBµV erreichen können. These: Ist die Simulation mit elektromagnetischen Kopplungen eine praxisnahe simulierte Funkstörspannung? Im Vergleich der beiden Kurven ist zu erkennen, dass sich die Kurve mit EMV-Komponenten um einen Pegel von 60dBµV bis 70dBµV bewegt und sich die ohne EMV-Komponenten hauptsächlich in einem Bereich zwischen 0dbµv und 20dBµV befindet. Es besteht eine Differenz von etwa 40dbµV. Daraus könnte man schlussfolgern, dass ein Teil der Funkstörspannung mit Hinzufügen der berechneten Kopplungen, die das EMV-Verhalten nachbilden, simuliert werden kann. 3. Messergebnisse der EMV Funkstörspannung von Li-Ionen Akkus mit parallel geschalteten Batteriemanagementsystem Die Messergebnisse sehen wie folgt aus Bild 5 : grnd 2 Bild 6: zang4

5 4. EMV eines BMS mit Akku Pack in einer E Fahrzeugnachbildung VM Leistungsele ktronik G Filter EMV KOLAR V DC Netz, + - DC / DC Wandler Filter EMV F / U M G F / U Batteriemanagement Elektronik Hochvolt Batterie Traktion 12 V z.b. Lastpult Mit Last 150 kw 200 kw Bild 7: HÖRMANN IMG Elektrofahrzeug Nachbildung mittels Motorprüfstand und Elektrikkomponenten