01

Schirmgeflechte überschritten werden. Kabelbrände und Leitungszerstörung können in Folge auftreten. Daher müs-sen die hohen Schirmströme lokalisiert und gemessen werden. Zur exakten Erfassung der Schirmströme muss mit hoher Abtastrate in allen Stromkreisen des Hoch-volt-Bordnetzes gemessen werden. Auch muss die Messung an diesen Leitungsstellen gleichzeitig durchgeführt werden, damit die gegenseitige Beeinflussung benachbarter Kom-ponenten bei unterschiedlicher Lastsituation überprüft werden kann.

HintergrundDie in Hochvolt-Bordnetzen eingesetzten Hochvoltleitun-gen weisen zur Vermeidung von Einstreuungen und Ab-strahleffekten neben dem HV-Innenleiter ein durch eine Isolierung getrenntes Schirmgeflecht auf. Durch den zylinderförmigen Aufbau der Hochvoltleitungen entsteht eine Kapazität zwischen HV-Innenleiter und Schirmgeflecht und damit ein besonders für hohe Frequen-zen empfänglicher Koppelpfad. Die Stromwelligkeit im In-

Gerade die bei den Schirmströmen auftretenden hohen Stromwerte sind eine große Herausforderung im Hoch-volt-Bordnetz, da sie Leitungsbrand und die Zerstörung der Leitungen verursachen können. Der hier aufgeführte elek-trische Lastkraftwagen dient als Beispiel für eine HV-Bord-netz-Entwicklung, die Herausforderungen und Lösungen gelten aber für alle Anwendungen in der Elektrifizierung von Fahrzeugen und Maschinen.

Die HerausforderungGespeist von mehreren Hochvolt-Batterien treiben mehre-re Elektromotoren die Achsen von vollelektrischen Fahrzeu-gen an. Zusätzliche Aggregate, Inverter, Klima-Kompres-soren, Bremswiderstände oder Kühlsysteme arbeiten in Elektrofahrzeugen parallel. Die große Anzahl von Kompo-nenten mit taktenden Leistungshalbleitern verursacht eine hohe Strom- und Spannungswelligkeit im gesamten Hoch-volt-Bordnetz. Dadurch werden große Ströme in den Lei-tungsschirmen induziert. Treten Schirmströme im zweistel-ligen Ampere-Bereich auf, kann die Stromtragfähigkeit der

Die Entwicklung des Hochvolt-Bordnetzes von leistungsstarken elektrischen Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen oder Bussen ist eine komplexe Aufgabe. Dabei müssen viele verschiedene Herausforderungen erfolgreich gelöst werden müs-sen. Eine große Reichweite, ein dynamisches Fahrverhalten und eine hohe Laufruhe sind für ein positives Fahrerlebnis unverzichtbar, die Anforderungen an EMV und die Homologation sind obligatorisch und die durch das Schalten hoher Spannungen entstehenden Schirmströme müssen beherrscht werden.

Vector Messtechnik Anwendungen

Schirmstrommessung an HV Leitungen in Elektrofahrzeugen

02

nenleiter verursacht durch induktive Kopplung Ströme auf dem Schirmgeflecht. Da im Fahrbetrieb hohe Spannungen im Hochvolt-Bordnetz geschaltet werden, entstehen hohe Nennleistungen und große Ströme im Innenleiter. Durch das schnelle Schalten werden hohe Ströme im Schirmge-flecht, die Schirmströme, induziert. Zwischen nahe liegen-den langen Leitungen kommt es ferner zu zusätzlichen in-duktiven Kopplungen zwischen den Kabelschirmen.Eine andere Nebenwirkung durch permanente Schirm-ströme ist die vorzeitige Alterung insbesondere der Kabel-verschraubungen und ihrer Schraubstelle durch hohe Tem-peraturen. Auch die Triangelfedern zur Auflage des Ge-flechtschirms im Inneren der Verschraubung können bei zu hohen Strömen zerstört werden.

Die Lösung Zur Lösung wird das Vector CSM e-Mobility Messsystem verwendet. Das HV-Leitungsnetz ist flächenmäßig über die

Abbildung 2: Aufbau eines HV Kabels

gesamte Rahmen- und Fahrwerkskonstruktion verteilt. Eine Vielzahl von HV-Nebenaggregaten sind zugleich mit mehreren HV-Batterien verkabelt und im Betrieb gleich-zeitig eingeschaltet. Zur Hochvolt-sicheren Messung werden CSM Hochvolt Breakout-Module (HV BM) fest an allen notwendigen Stellen im Hochvolt-Bordnetz einge-baut. Jedes HV BM wird selbst mit einem Potentialausgle-ich versehen. Die Messung der Schirmströme erfolgt über den Messshunt des HV BM.

Für eine genaue Messung muss in den eingefügten HV Breakout-Modulen die Schirmung der HV-Leitung zum Messshunt appliziert werden. Dazu wird die Koaxialschir-mung über dem isolierten Innenleiter aufgetrennt und an den Messshunt angeschlossen. Exakte Messergebnisse werden nur bei einer gut konstruierten und niederohmigen Verbindung von Schirmgeflecht und Messshunt erzielt.Des Weiteren ist es erforderlich, das gesamte Messsystem hochvoltsicher am Fahrzeug zu installieren und die Mess-module fest am Rahmen zu fixieren. Die Messung wird zeitlich synchron in allen Hochvolt-Stromkreisen bei einem festgelegten Fahrzyklus auf einem Rollenprüfstand durch-geführt, um ein genaues Bild über die maximalen Schirm-ströme zu erhalten. Die Abtastung der einzelnen Schirm-ströme muss mit einer hohen Abtastrate von 1 MS/s erfol-gen, um alle hochfrequenten Schirmstromanteile und Stromspitzen zu erfassen. Durch die gleichzeitige Schirm-strommessung in allen relevanten Hochvoltleitungen muss die Verifikation auf dem Rollenprüfstand nur einmalig durchgeführt werden.Mit der Mess-Software vMeasure exp werden die zahlre-ichen 1MS/s Signale erfasst, visualisiert und online anal-ysiert. Der für vMeasure exp entwickelte eMobilityAnalyzer

HV Battery 1 HV Battery 2

HV Battery 3 HV Battery 4

PTO*

PTO*

HV

Pow

er D

istr

ibut

ion

Uni

t

Cooler

HV BreakingResisitor

HV BreakingResisitor

HV AC Compressor

Steering Pump

Air Compressor

ChargingSystem

Low-Voltage

Distribution

*Power take-off

HV Battery Distribution Unit

HV Inverter 1

HV Inverter 2

E-Motor 1

E-Motor 2

Bild 1: Schirmstrommessung an einem elektrischen Lastkraftwagen. Der lange Rahmenaufbau verursacht unterschiedli-che Schirmströme in den verschiedenen Bereichen des Hochvolt-Bordnetzes. An den rot gekennzeichneten Messpunkten wird in den einzelnen HV-Leitungen mit CSM HV Breakout-Modulen der Schirmstrom gemessen.

03

errechnet aus den erfassten Strömen und Spannungen in Echtzeit die Effektivstromstärke, Schein,- Wirk- und Blindleistung sowie indirekt die Wärmeentwicklung im Schirm.

Aus der Messung in Abbildung 4 kann abgeleitet werden, dass dem Innenleiterstrom ein großer entgegengesetzter Schirmstrom bis zu 75A entgegensteht. vMeasure exp errechnet mit dem eMobilityAnalyzer den DC Anteil des Schirmstroms, aber auch den Effektivwert und die Minima und Maxima des Schirmstroms. Es ist zu sehen, dass der Schirmstrom im Mittel zwar 0A beträgt, aber regelmäßige Peak-to-Peak Werte bis zu 140 A gemessen werden. Die Effektivstromstärke wird auf 32 A errechnet.

Die ohmschen Verluste im Schirm, und damit die Wärmeer-zeugung, ist proportional dem Quadrat der errechneten Effektivstromstärke (P ~ Irms²). Ausschlaggebend ist hier der Widerstandsbelag des Schirms, der in der Regel einen kleinen Leitungsquerschnitt und dementsprechend einen hohen Widerstandsbelag hat. Dies kann zu einer deutli-chen Erwärmung des Schirms und somit des Kabels führen.

In Abbildung 5 ist der Verlauf des gemessenen Schirm-stroms sowie der errechneten Signale zu sehen und den Informationsgewinn aus den errechneten Signalen. vMea-sure exp erzeugt online aus den errechneten Werten neue Mess-Signale, die mit allen Funktionen des vMeasure exp Funktionsumfangs weiterbearbeitet werden können. Die Aufzeichnung der Signale kann getriggert erfolgen. Durch die Multi-Recorder-Funktionen können gezielt auch nur einzelne Signale oder die online berechneten Signale aufgezeichnet werden, um das Menge abgespeicherter Daten zu begrenzen.

Die Hochvolt-Breakout-Module von CSM wurden speziell für sichere Messanwendungen in spannungsführenden Hochvolt-Leitungen beim rauen, mobilen Einsatz konzip-iert. Durch die Wahl eines geeigneten Messshunts für die Strommessung sowie mit den einstellbaren Messbereichen von Spannung und Strom kann das HV BM optimal für die Messaufgabe konfiguriert werden. Für Hochstromleitun-gen von 125 A bis 800 A wird das HV BM 1.2 eingesetzt. Es ermöglicht das Anschließen von zwei einadrigen HV-Lei-tungen am Breakout-Modul. Für zweiadrige HV-Leitungen und Verbraucher bis 125 A eignet sich das HV BM 1.1.

Die Vorteile > Innovative, schnelle, präzise und flexible Messungen für die Validierung und Verifizierung von elektrischen Hochspannungssystemen im Labor und auf der Straße > Der eMobilityAnalyzer ist standardmäßig in der Soft-ware vMeasure exp und CANape enthalten > Wie alle Messmodule von CSM sind die BM-Module klein, robust und für den direkten Einbau in das Fahrzeug konzipiert. Es ist nicht notwendig, das Fahrzeug mit zusätzlichen Stromsensoren, langen Messkabeln und Messgeräten auszurüsten. Das spart nicht nur Zeit und reduziert das Risiko, sondern verkürzt auch die Mess-kette und verbessert die Qualität der Messung > Synchrone Aufzeichnung aller Messgrößen, einschließlich der Signale der Steuergeräte oder der Fahrzeugbusse

Abbildung 3: Schematischer Messaufbau mit dem Vector CSM e-Mobility Messsystem

Abbildung 4: Gemessener Stromverlauf im Innenleiter und auf dem Schirm sowie in Echtzeit errechnete Größen des vMeasure exp eMobilityAnalyzers

04

Abbildung 5: Dieselbe Messung wie in Abbildung 4, hier die Ansicht über mehrere Sekunden

> Die Leistungsfähigkeit der vMeasure exp-Messsoftware macht es einfach, komplexe mathematische Opera-tionen an Messkanälen während der Messung in Echtzeit durchzuführen. So können neben der Aufzeichnung der direkt gemessenen Signale auch gefilterte Signale oder Ableitungen von Signalen visualisiert und synchron aufgezeichnet werden. Sie können auch einfach als Trig-gersignal wirken > Der Anwender kann die Strom- und Spannungsdynamik einfach und genau messen und erhält auch während der Fahrversuche eine sofortige Rückmeldung, was die Veri-fikation und eine anschließende tiefergehende Analyse wesentlich effizienter macht > Die Messkonfiguration lässt sich sehr einfach auf den leistungsfähigen Datenlogger vMeasure log übertragen womit bei einer Testfahrt kein separates Laptop mitge-führt werden muss > Nahtlose, automatisierte Analyse und Darstellung der Messdaten durch das Software-Tool Vector vSignalyzer und direkte Übertragung und sichere Speicherung der Messdaten im Vector-Messdatenmanagementsystem vMDM