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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.
1 – Funktionsprinzip von Automobil-Motortreiber-Systemen 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.
1.1 Die Rolle von Drosselspulen in der Leistungsantriebsschleife
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.
1.2 Die Rolle von Drosselspulen bei der Leistungsverwaltung 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 Automobil-Motortreiber-Systeme
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.
3 – Drosselspulenzösungen von CODACA für Motortreiber-Systeme
3.1 Automotive Hochstrom-Leistungsinduktivität
In Motortreiber-Systemen, hochstrom-Induktoren werden hauptsächlich in DC-DC-Wandlern und Filterkreisen eingesetzt. CODACAs automotive-grade-Leistungsinduktoren mit hoher Strombelastbarkeit bieten geringe Verluste und einen hohen Sättigungsstrom von bis zu 422 A sowie einen Betriebstemperaturbereich von −55 °C bis +155 °C, wodurch sie für komplexe elektronische Umgebungen im Automobilbereich geeignet sind.
3.2 Automotive-grade-geformter Leistungs-Drossel
CODACA's automotive-grade-geformte Leistungs-Drossel verwendet magnetische Pulverkerne mit geringen Verlusten und innovative Elektrodentechnologie, um technische Herausforderungen wie Spulenverlagerung und Produktbrüche während des Formgebungsprozesses zu lösen. Sie reduziert die gesamten Induktorenverluste um mehr als 30 %, unterstützt Betriebstemperaturen bis zu 170 °C, erreicht eine Leistungseffizienz von bis zu 98 % und verbessert effektiv die Zuverlässigkeit von Motorantriebssystemen sowie den Wirkungsgrad von DC-DC-Schaltungen.
3.3 Automotive-grade-Stabinduktor
CODACA verfügt über ein erfahrenes F&E-Team, das schnell maßgeschneiderte Lösungen bereitstellen kann automotive-grade-Stabinduktor lösungen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Strukturen, die auf Kundenanforderungen basieren.
3.4 EMI-Bauteile
Verstrickungen im allgemeinen Modus , perlen , und andere magnetische Komponenten werden in Antriebssystemen für Kraftfahrzeuge sowie in Stromfilterkreisen weit verbreitet eingesetzt, um Störungen durch elektromagnetische Interferenzen auf Signalleitungen und Stromleitungen zu unterdrücken.
