Empfohlene Induktivitätsauswahl für Antriebsmotorsysteme im Automobilbereich

Mit der zunehmenden Entwicklung der Fahrzeugelektrifizierung und -intelligenz sind Motoren zu zentralen Antriebs- und Steuerkomponenten in Fahrzeugen geworden. Sie werden breit eingesetzt in Antriebssystemen (Traktionsmotoren für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben), Karosserie-Steuereinrichtungen (Motoren für elektrisch betätigte Heckklappen, Fensterhebermotoren, Sitzverstellmotoren) sowie Hilfssystemen (Lüftermotoren für Kühlsysteme, Servolenkungsmotoren). Als zentrale Einheit zur Steuerung des Motorstarts/Stopps, der Drehzahl und der Drehrichtung muss ein automobiler Motorantrieb unter rauen Betriebsbedingungen an Bord – wie hohe Temperaturen, Vibrationen, starke elektromagnetische Störungen (EMI) und große Spannungsschwankungen – eine effiziente, stabile und zuverlässige Leistungsabgabe sicherstellen. Als zentrale passive Komponente in Motorantriebssystemen erfüllt die Drosselspule wesentliche Funktionen wie Energiespeicherung, Filterung, Drosselung und Unterdrückung von Stromspitzen. Ihre Auswahl bestimmt unmittelbar den Wirkungsgrad, die Betriebsstabilität, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sowie die Lebensdauer.

• Funktionsprinzip von Antriebssystemen für Automotoren und die zentrale Rolle von Drosselspulen

Die zentrale Funktion eines Antriebssystems für Automotoren besteht darin, Befehle von der Fahrzeugsteuereinheit (VCU) oder einer lokalen Steuereinheit entgegenzunehmen, elektrische Energie aus der Bordstromversorgung in mechanische Energie umzuwandeln und den Motor so anzutreiben, dass ein präzises Starten/Stoppen, eine Drehzahlregelung sowie eine Vorwärts-/Rückwärtssteuerung möglich sind. Gleichzeitig werden Strom- und Drehzahlrückmeldesignale zur Realisierung einer geschlossenen Regelung genutzt, um einen reibungslosen und sicheren Motorbetrieb zu gewährleisten. Die Schaltung umfasst typischerweise ein Leistungsverwaltungsmodul, ein MCU-Steuermodul, ein Leistungsantriebsmodul, ein Strom-/Drehzahl-Erfassungsmodul sowie ein EMI-Filtermodul.

Abbildung 1. Blockschaltbild eines Antriebssystems für Elektrofahrzeuge

Andere fahrzeugmontierte Geräte; Hochvolt-Batterie; Hochvolt-Steuerbox; Hochvolt-Gleichstrom-P/N; Fahrzeugsteuergerät (VCU); Niedervolt-Batterie; Steuerrelais; Sicherung; Antriebsmotor (DM); Dreiphasen-Stromleitungen U/V/W; Signalleitungen (Resolver, Temperatur); Motorsteuergerät (MCU); Wasserpumpe; Kühlmittel; Kühler.

• • Die Rolle von Drosselspulen in der Antriebsstromschleife

Im Automobilbereich werden für Motorantriebe üblicherweise PWM-Steuerungen (Pulsweitenmodulation) eingesetzt. Durch das Ein- und Ausschalten von Leistungsbauelementen (MOSFETs/IGBTs) wird die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom geregelt, um Drehzahl und Drehmoment des Motors zu steuern. Drosselspulen spielen eine zentrale Rolle in der Antriebsstromschleife, insbesondere auf folgende Weise:

Unterdrückung von Stromspitzen: Wenn der Motor startet oder stoppt, seine Drehzahl ändert oder wenn Leistungsbauelemente schalten, entstehen kurzzeitige Stromspitzen. Diese Spitzen können Leistungsbauelemente (MOSFETs/IGBTs) und Treiber-ICs belasten und sogar zu einer Beschädigung der Komponenten führen. Die Drosselspule begrenzt durch ihre induktive Blindwiderstandswirkung die Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt) und unterdrückt dadurch wirksam Stromspitzen, schützt so die zentralen Bauelemente in der Ansteuerschleife und verlängert die Lebensdauer der Komponenten.

Glättung des Motorstroms: Die PWM-Steuerung bewirkt eine Welligkeit des Ausgangsstroms. Wird dieser Strom direkt in den Motor eingespeist, kann dies zu erhöhten Vibrationen, höherem Geräuschpegel und größeren Wicklungsverlusten führen. Durch kontinuierliches Speichern und Freisetzen von Energie glättet die Drosselspule die Stromwelligkeit und macht den Motorstrom stabiler, wodurch die Betriebsstabilität verbessert wird.

• • Die Rolle von Drosselspulen in der Leistungsversorgung und Filterung

Die Stromversorgung in automobilen Antriebssystemen gliedert sich in zwei Kategorien: bordinterne Niederspannungsstromversorgungen (12 V/24 V) für Steuerungsmodulen und Treiber-ICs sowie Hochspannungsstromversorgungen in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben für Leistungsantriebsmodule. Drosseln übernehmen im Bereich der Energieverwaltung und Filterung folgende zentrale Funktionen:

DC-DC-Wandlung: In Niederspannungsversorgungskreisen ist ein DC-DC-Abwärtswandler erforderlich, um die bordinterne Spannung von 12 V/24 V auf die von Mikrocontrollern (MCUs) und Sensoren benötigten Spannungsniveaus von 5 V und 3,3 V herabzusetzen. Als zentrales Energiespeicherelement des DC-DC-Kreises speichert die Drossel Energie und gibt sie wieder ab, gewährleistet die Stabilität der Ausgangsspannung und verhindert, dass Spannungsschwankungen den ordnungsgemäßen Betrieb des Steuerungsmoduls beeinträchtigen.

EMV-Unterdrückung: Wenn das Motorantriebssystem in Betrieb ist, erzeugt das Schalten der Leistungsbauelemente hochfrequente Störungen. Diese Störungen können über die Stromversorgungsleitungen auf andere elektronische Bordgeräte wie Navigationssysteme oder Radios übertragen werden und deren normale Funktion beeinträchtigen. Gemeinsame-Modus-Drosseln zusammen mit X- und Y-Kondensatoren bilden einen EMV-Filterkreis, der hochfrequente Störungen aus den Stromversorgungsleitungen entfernt, elektromagnetische Abstrahlung unterdrückt und die Auswirkungen externer Störungen auf das Motorantriebssystem verringert.

2. Anforderungen an Drosselspulen für automobile Motorantriebssysteme

Automotive-Motortreiber-Systeme werden häufig in rauen Umgebungen wie Motorräumen und Fahrwerksbereichen installiert, wo sie über lange Zeit hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit, hochfrequenten Vibrationen sowie starker elektromagnetischer Interferenz ausgesetzt sind. Sie müssen die Zuverlässigkeitsanforderungen für den Automotive-Bereich erfüllen und sich an breite Spannungsschwankungen sowie hohe Stromspitzen anpassen können – dies stellt strenge Anforderungen an Leistungsdaten, Aufbau und Zuverlässigkeit der Drosselspulen.

• Temperaturstabilität: Da automotive-Motortreiber-Systeme häufig in rauen Umgebungen wie Motorräumen und Fahrwerksbereichen installiert werden, muss die Drosselspule über einen Temperaturbereich von -40 °C bis 150 °C betrieben werden können, um eine Leistungsverschlechterung und eine verringerte Regelgenauigkeit aufgrund von Temperaturschwankungen zu vermeiden.

• Geringe Verluste und hohe Effizienz: Antriebssysteme für Motoren arbeiten kontinuierlich, daher müssen die Kupferverluste (DCR-Verluste) und die Kernverluste der Drosselspule so gering wie möglich gehalten werden. Insbesondere bei Hochstromszenarien führt ein geringer Verlust zu einer reduzierten Gesamtsystemtemperaturerhöhung, verbessert die Antriebseffizienz, senkt den Bordstromverbrauch und verhindert Leistungseinbußen aufgrund von Überhitzung.

• Hoher Sättigungsstrom: Motorstart-/Stoppvorgänge sowie plötzliche Laständerungen erzeugen kurzzeitige Hochströme. Die Drosselspule muss über einen ausreichenden Sättigungsstrom (Isat) verfügen, um eine magnetische Sättigung unter Spitzenstrombelastung zu vermeiden. Magnetische Sättigung führt zu einem starken Abfall des Induktivitätswerts, zum Ausfall der Drosselspule und möglicherweise zu Schäden an Leistungsbauelementen. Es wird empfohlen, mindestens einen Sicherheitsfaktor von 1,3 für den Sättigungsstrom einzuplanen und bei hohen Temperaturen eine Leistungsabsenkung (Derating) zu berücksichtigen.

• EMI-Kompatibilität: Die Drosselspule muss eine gute Abschirmleistung bieten, um die magnetische Feldstreuung zu reduzieren, Störungen empfindlicher Schaltungen innerhalb des Antriebssystems zu verhindern und elektromagnetische Strahlung in der Schleife zu unterdrücken, wobei gleichzeitig die fahrzeugseitigen Anforderungen an die leitungs- und funkgemessenen EMV-Emissionen erfüllt werden müssen.

• Hohe Zuverlässigkeit: Automobiltaugliche Drosselspulen müssen die AEC-Q200-Prüfung bestehen, um einen langfristig zuverlässigen und stabilen Betrieb sicherzustellen. Zu den Zuverlässigkeitsprüfungen gehören mehr als zehn Einzelprüfungen, darunter Temperaturwechsel, Hochtemperaturlagerung, Feuchteprüfung bei hoher Luftfeuchtigkeit, Vibration und mechanischer Schock sowie Lotbarkeit. Das CNAS-zertifizierte Labor von CODACA kann die AEC-Q200-Prüfung gemäß Kundenanforderung eigenständig durchführen und Prüfberichte bereitstellen.

3. CODACAs Drosselspulenkonzep-te für Motorantriebssysteme

1. Automobiltaugliche Hochstrom-Leistungs-Drosselspule

In Antriebssystemen für Elektromotoren werden Hochstrom-Leistungsinduktivitäten hauptsächlich in DC-DC-Wandlern und Filterkreisen eingesetzt. Die automotive-tauglichen Hochstrom-Leistungsinduktivitäten von CODACA zeichnen sich durch geringe Verluste und einen hohen Sättigungsstrom aus; der Sättigungsstrom beträgt bis zu 422 A, der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen −55 °C und +155 °C – dies macht sie für komplexe elektronische Umgebungen im Automobilbereich geeignet.

2. Automotive-taugliche geformte Leistungs-Drossel

Die automotive-taugliche geformte Leistungs-Drossel von CODACA verwendet magnetpulverbasierte Kerne mit geringen Verlusten sowie eine innovative Elektrodentechnologie, um technische Herausforderungen wie Spulenverlagerung und Produktbrüche während des Formgebungsprozesses zu lösen. Sie senkt die gesamten Induktivitätsverluste um mehr als 30 %, unterstützt Betriebstemperaturen bis zu 170 °C, erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 98 % und verbessert wirksam die Zuverlässigkeit von Antriebssystemen für Elektromotoren sowie die Wandlungseffizienz von DC-DC-Schaltungen.

3. Automotive-taugliche Stabinduktivität

CODACA verfügt über ein erfahrenes F&E-Team, das schnell maßgeschneiderte, automotive-taugliche Stabinduktoren mit unterschiedlichen Eigenschaften und Aufbauten basierend auf den Kundenanforderungen bereitstellen kann.

4. EMI-Komponenten

Gemeinsame-Modus-Drosseln, Perlen und andere magnetische Komponenten werden in Antriebssystemen für Automobile sowie in Stromversorgungsfilterkreisen weit verbreitet eingesetzt, um Störungen durch elektromagnetische Interferenzen (EMI) auf Signalleitungen und Stromversorgungsleitungen zu unterdrücken.