03.09.2024

Elektromagnetische Störungen in Elektrofahrzeugen

Elektronische Systeme im Auto sind eine Quelle für elektromagnetische Störungen. Viele davon lassen sich mit technischen Methoden leicht beseitigen, z.B. […]

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Elektronische Systeme im Auto sind eine Quelle für elektromagnetische Störungen. Viele davon lassen sich mit technischen Methoden leicht beseitigen, z.B. durch die Verlegung von Signalpaaren in Form von verdrillten Paaren und die Wahl der Impedanz des Übertragungsweges. Manchmal ist es einfacher, die Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit zu erfüllen, indem man die elektromagnetischen Wellen in eine andere Art von Strahlung, nämlich Licht, umwandelt. In den letzten Jahren hat die Zahl der Geräte, die Störungen verursachen können, zugenommen, und die durch Magnetfelder und ähnliche Phänomene übertragene EMI wird zu einem wichtigen Bestandteil der Tests. Die Anforderungen zur Erfüllung bestimmter Normen veranlassen die Hersteller, nach alternativen EMV-Lösungen zu suchen. Elektromagnetische Störungen in Elektrofahrzeugen zwingen die Hersteller zur Entwicklung und Verwendung innovativer Materialien im Auto.

Komponenten zur Eliminierung elektromagnetischer Störungen

In der Praxis muss die Autoelektronik abgeschirmt werden mit einer Metallabschirmung abgeschirmt werden, um die Wechselwirkungen zwischen den Modulen auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Wie bereits erwähnt, erhöht eine solche Abschirmung die Kosten in der Produktion und das Gewicht von Elektrofahrzeugen. Daher wird nach anderen, leichteren und billigeren Materialien gesucht, um elektromagnetische Felder zu reduzieren.

Kleinere Komponenten können vor elektromagnetischen Feldern abgeschirmt werden, indem Sie:

  • Kunststoffe mit Kohlenstoffnanoröhrchen (bieten gute elektrische Leitfähigkeit bei geringem Materialzusatz)

  • Metallfaserverbundstoffe (Polymere, die mit kurzen Metallfasern verstärkt sind, z.B. Kupfer oder Aluminium)

Ein interessanter Ansatz zu diesem Thema könnte die Verwendung von Komponenten sein, die in einem anderen Produktionsprozess als Abfall anfallen. Es wird mit Abfallstoffen in Form von Zinkerz geforscht. Bei einem Erzanteil von 80-90% und der Herstellung eines Verbunds mit PVC werden Ergebnisse von 80% Signalminderung erzielt. Je höher der PVC-Anteil ist, desto geringer ist die Dämpfungseffizienz. Die Suche nach Abschirmungsmaterialien, die im Automobilbereich eingesetzt werden können, geht weiter.

Elektromagnetische Wellen können in Autos durch den Einsatz von Verbundwerkstoffen abgeschwächt werden.
Für größere Komponenten werden sie verwendet:

  • Kunststoffe mit Kupfer oder Aluminium (gute Leitfähigkeit bei relativ geringem Gewicht)

  • Polymerverbundwerkstoffe mit dem Zusatz von Kohlenstofffasern (kombinieren die Leichtigkeit von Polymeren mit der Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern).

Przykład efektywności ekranowania polimeru w zależności od ilości dodanego węgla oraz częstotliwości. (https://www.mdpi.com/2073-4360/14/7/1289)
Przykład efektywności ekranowania polimeru w zależności od ilości dodanego węgla oraz częstotliwości. (https://www.mdpi.com/2073-4360/14/7/1289)

Natürliches Vorkommen von emc-Interferenz

Bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen dürfen die Störungen durch die von Blitzen erzeugten Impulse nicht übersehen werden.
Die Karosserie von Autos, einschließlich Elektro- und Hybridfahrzeugen, wirkt wie ein Faradayscher Käfigder einen grundlegenden Schutz gegen Blitzentladungen bietet.
Batterien und andere Hochspannungskomponenten sind zusätzlich isoliert und geschützt.
Dadurch wird das Risiko von Schäden im Falle eines Blitzeinschlags verringert.

Blitzeinschläge in unmittelbarer Nähe können starke Ströme in elektronische Systeme und Kabel induzieren. Daher wird eine zusätzliche Abschirmung der wichtigsten elektronischen Komponenten – Überspannungsschutzsysteme und EMI-Filter (elektromagnetische Interferenz) – verwendet. Eine galvanische Trennung zwischen den verschiedenen Systemen des Fahrzeugs sorgt dafür, dass der induzierte Strom nicht in den Verbindungsnetzen auftreten kann.

Ist elektromagnetische Strahlung gefährlich?

Elektromagnetische Interferenzen beeinträchtigenelektronische Systeme. Einige von ihnen sind schon aufgrund ihres Funktionsprinzips empfindlich, wie z.B. Kardioverter-Defibrillatoren oder Nervenstimulatoren, die in der Medizin verwendet werden. Es gibt vereinzelte Berichte von Patienten, die bei der Benutzung von Elektroautos Unbehagen oder Angstzustände empfinden, aber es ist schwierig, diese Gefühle eindeutig auf elektromagnetische Interferenzen zurückzuführen. Ein größeres Risiko besteht möglicherweise in der Nähe von Hochleistungs-Schnellladestationen, aber selbst in diesen Fällen sind tatsächliche Vorfälle selten. In vielen Berichten wird die ziemlich offensichtliche Tatsache hervorgehoben, dass die Wahrscheinlichkeit von Problemen mit der Leistung des Geräts zunimmt. Es ist wichtig, sich darüber im Klaren zu sein, dass Schnellladegeräte eine Leistung von über 100 kW haben. Ihre Erzeugung von elektromagnetischen Feldern ist unvermeidlich. In diesem Fall können jedoch die klassischen Methoden angewandt werden, d.h. die Abschirmung mit Schwermetallabschirmungen.

Ekranowanie wiązki przewodów za pomocą specjalnej taśmy. (https://www.designengineering.com/rfi-shield-split-sleeve-1-2-x-36/)
Abschirmung des Kabelbaums mit Spezialband. (https://www.designengineering.com/rfi-shield-split-sleeve-1-2-x-36/)

Was ist im Auto am störendsten?

Die Forschung charakterisiert die Störungsquellen im Auto unter verschiedenen Aspekten. Eine dieser Unterteilungen ist, wo sie erzeugt werden. Die wichtigsten Punkte, an denen elektromagnetische Störungen in Elektrofahrzeugen erzeugt werden, sind:

a) Wechselrichter (Inverter):

  • Er erzeugt hochfrequente Störungen (mehrere zehn kHz bis MHz).

  • Er zeichnet sich durch scharfe Spannungsspitzen beim Schalten von Transistoren aus.

(b) Elektromotor:

  • Emittiert Störungen im unteren Frequenzbereich (bis zu einigen kHz).

  • Geschwindigkeitsabhängige Eigenschaften.

(c) Bordseitiges Ladegerät:

  • Erzeugt beim Laden Störungen (50/60 Hz und deren Oberwellen).

  • Er kann hochfrequente Geräusche aussenden.

d) Batterie-Management-System (BMS):

  • Er strahlt Störungen mit geringer Leistung aus, aber über ein breites Frequenzspektrum.

e) DC/DC-Wandler:

  • Sie erzeugen Interferenzen mit einer festen Schaltfrequenz (typischerweise einige zehn kHz).
    Durch den Einsatz von Spektrumspreizungsmethoden lassen sich Interferenzen reduzieren.

Der schlüssellose Zugang funktioniert nicht - was ist zu tun?

Die Störung von schlüssellosen Zugangssystemen durch Elektro- und Hybridfahrzeuge ist ein interessantes und komplexes Thema.
Die Störung kann dazu führen, dass sich das Fahrzeug nicht mehr öffnen/schließen oder starten lässt.
Das Problem kann nicht nur das Auto betreffen, das die Störung verursacht, sondern auch Fahrzeuge in der Nähe.
Die Reichweite einer solchen Störung beträgt in der Regel einige Meter bis zu mehreren Dutzend Metern, abhängig von der Intensität der Emission und den Umgebungsbedingungen.

Die von den Nutzern gelieferten Daten berichten von Belästigungen, die auch die Sicherheit beeinträchtigen.
Die Zusammenhänge zwischen dem Parken in der Nähe von Ladestationen und den auftretenden Problemen sind offensichtlich.
Berichte sprechen von der Unfähigkeit, Autos zu öffnen, die neben ladenden E-Fahrzeugen geparkt sind.
So haben beispielsweise Besitzer eines BMW i3 von Problemen beim Öffnen von Autos berichtet , die in der Nähe von Ladestationen geparkt sind.
Darüber hinaus gibt es Probleme beim Starten von Fahrzeugen in der Nähe von Ladestationen.

Manchmal können die beschriebenen Probleme aus der Ferne behoben werden.
Einige Hersteller haben Software-Updates eingeführt, um Störaussendungen zu reduzieren.
Andere empfehlen, in problematischen Situationen den Schlüssel in einer speziellen Position oder näher am Fahrzeug zu halten.
Die Automobilindustrie arbeitet aktiv daran, diese Probleme zu minimieren, und jede neue Generation von Elektrofahrzeugen und schlüssellosen Zugangssystemen ist in dieser Hinsicht meist besser als die vorherige.

Wie Interferenzen das Auto beeinflussen.

Elektro- und Hybridfahrzeuge sind trotz ihrer fortschrittlichen Schutzsysteme in gewissem Maße anfällig für elektromagnetische Störungen.
Diese Anfälligkeit ist auf die große Anzahl fortschrittlicher elektronischer und elektrischer Systeme zurückzuführen, die für den Betrieb dieser Fahrzeuge entscheidend sind.
Das Fahrzeug ist auch eine Ansammlung von Empfängern und daher können Signale (Interferenzen) Bereiche wie z.B.:

  • Fahrerassistenzsysteme.
    Radarsensoren und Kameras können anfällig für Störungen sein, die den Betrieb von Systemen wie dem adaptiven Tempomat oder dem Spurhalteassistenten beeinträchtigen können.

  • Navigations- und Kommunikationssysteme. GPS und mobile Kommunikation können durch starke elektromagnetische Felder gestört werden, z.B. in der Nähe einer Hochspannungsleitung.

  • Fehler bei den Sensormessungen: Dies kann zu falschen Informationen auf dem Armaturenbrett oder zu einem fehlerhaften Betrieb von Fahrerassistenzsystemen führen.

  • Fehlfunktion der Sicherheitssysteme. In extremen Fällen könnte das Magnetfeld ABS- oder Traktionskontrollsysteme stören.
    Die Interferenz könnte zu falschen Messwerten der Raddrehzahlsensoren führen, was die Bremsleistung beeinträchtigen könnte.

  • Komfortsysteme.
    Audiosysteme sind besonders anfällig für EMI, die sich in Form von Rauschen oder Tonstörungen äußern können. Touchscreens und Infotainmentsysteme – können in Gegenwart starker elektromagnetischer Felder Störungen oder Instabilitäten aufweisen.

  • Wi-Fi- und Bluetooth-Verbindungssysteme: Sie werden für die Kommunikation mit mobilen Geräten und Software-Updates verwendet.
    Sie sind anfällig für Störungen, insbesondere in belebten städtischen Umgebungen.

Neben der bereits besprochenen Abschirmung, die Standard ist, gibt es noch andere Methoden, um diesen Störungen entgegenzuwirken:

  • Systemredundanz: Kritische Systeme werden oft dupliziert, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

  • Adaptive Filterung: Verwendung von intelligenten Filteralgorithmen, die sich an veränderte EMI-Bedingungen anpassen.

  • Software-Updates: Regelmäßige Updates können die Widerstandsfähigkeit der Systeme gegen EMI verbessern, indem sie die Signalverarbeitungsalgorithmen optimieren.

EMC-Störungen in Elektroautos - Zusammenfassung

Mit der Entwicklung der Elektrofahrzeugtechnologie wird das Problem der EMI immer komplexer. Die Einführung von kabellosen Ladesystemen und die Erhöhung der Leistung von Ladegeräten schafft neue Herausforderungen. Gleichzeitig ermöglichen Fortschritte bei den Materialien und Abschirmtechniken eine immer effektivere Reduzierung der EMI.

Elektromagnetische Störungen sind eine große Herausforderung bei der Entwicklung der E-Mobilität. Sie erfordern kontinuierliche Forschung und Innovation, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Elektro- und Hybridfahrzeugen in einer zunehmend elektromagnetisch gesättigten Umgebung zu gewährleisten. Beim Fahren eines Elektroautos wird der Fahrer zum Nutzer vieler Technologien, nicht nur derjenigen, die eng mit der Elektronik verbunden sind.

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