Welche Methoden gibt es zur Kontrolle von leitungsgebundenen Störungen?

In den letzten Jahren hat sich der Markt für Elektrofahrzeuge (EV) dynamisch entwickelt, begleitet vom rasanten Ausbau der Ladeinfrastruktur. Die Anzahl an Elektrofahrzeugen wächst rasant – allein im Vereinigten Königreich sind über 32,5 Millionen Fahrzeuge zugelassen, wobei ein wachsender Anteil elektrisch oder plug-in-hybrid betrieben wird. Dies führt zu einer hohen Nachfrage nach effizienten, sicheren und normgerechten EV-Ladegeräten.

Für viele Unternehmen, insbesondere Start-ups, bietet dieser Markt ein enormes Wachstumspotenzial. Doch die Entwicklung solcher Geräte bringt viele technische Herausforderungen mit sich – insbesondere im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), speziell leitungsgebundene Störungen.

Warum sind leitungsgebundene Störungen ein Problem?

Leitungsgebundene Störungen sind eine Form elektromagnetischer Verschmutzung, die sich über Stromkabel – in der Regel über Neutralleiter oder Schutzleiter – ausbreitet. EV-Ladegeräte verwenden häufig hocheffiziente DC/DC-Wandler, die jedoch Störungen erzeugen können. Wenn die vom Ladegerät erzeugten Ströme nicht ausreichend gefiltert werden, überschreiten die Störpegel die in EMV-Normen festgelegten Grenzwerte.

Dies ist nicht nur ein technisches Problem – das Nichtbestehen von EMV-Tests verhindert die Zulassung durch Zertifizierungen (z. B. CE, FCC, UKCA) und somit die Markteinführung des Produkts.

Die Bedeutung der EMV-Konformität für den EV-Markt

Aus unserer Erfahrung heraus unterschätzen viele junge Unternehmen die Bedeutung der EMV schon in der Entwicklungsphase. Sie wenden sich oft erst nach einem fehlgeschlagenen EMV-Test an uns – was zu Verzögerungen und zusätzlichen Kosten durch Redesigns führt.

Leitungsgebundene Störungen müssen daher bereits in der Entwurfsphase verstanden und berücksichtigt werden. Dies erfordert Kenntnisse in Elektronik, Mechanik, Software sowie im Bereich Rückstrompfade. Ein gutes Störungsmanagement gewährleistet nicht nur die Konformität, sondern auch die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Produkts.

Hauptursachen leitungsgebundener Störungen in EV-Ladegeräten

Die Rolle des DC/DC-Wandlers

Das Herzstück moderner EV-Ladegeräte ist der DC/DC-Wandler, der die Ladespannung anpasst. Er arbeitet mit hohen Schaltfrequenzen, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen – dabei entstehen Störungen im Bereich von mehreren zehn kHz oder mehr. Ein Teil dieser Störungen fließt über Neutral- oder Schutzleiter zurück und verursacht Interferenzen. Ohne geeignete Filter oder EMV-Schirmung ist der Wandler eine Hauptquelle elektromagnetischer Störungen.

Rückstrompfade und Erdung

Leitungsgebundene Störungen kehren stets über den Weg mit der geringsten Impedanz zurück – meist über Neutralleiter, PE, Gehäuse oder Schirmungen. Y-Kondensatoren (zwischen Primär- und Sekundärseite) und X-Kondensatoren (zwischen Phase und Neutralleiter) sind dabei entscheidend. Ihre Werte beeinflussen die Filterwirkung, müssen jedoch Sicherheitsgrenzen einhalten (z. B. Y ≤ 4,7 nF). Eine gründliche Analyse der Rückstrompfade und Erdimpedanz ist für eine wirksame Filterung unerlässlich.

Optimales Vorgehen bei EMV-Problemen

Vortests im EMV-Labor

Bevor Änderungen am Schaltkreis vorgenommen werden, sind erste Tests im EMV-Labor entscheidend. Wir führen 1–2 Tage Messungen unter kontrollierten Bedingungen durch, um die Art und das Ausmaß leitungsgebundener Störungen zu analysieren.

Simulation und Analyse der Rückstrompfade

Zusätzlich zu praktischen Tests simulieren wir Rückströme. Der Wandler und das Filtersystem werden modelliert, um Impedanzen und Stromverteilung zwischen Phase, Neutralleiter und Erde zu analysieren. Die Simulationsergebnisse vergleichen wir mit den realen Tests – in einem iterativen Ansatz: Test → Simulation → Korrektur → Test. So erreichen wir eine Wirksamkeit von bis zu 99 %.

Praktische Methoden zur Reduzierung leitungsgebundener Störungen

Erhöhung der Impedanz des DC/DC-Wandlers

Wir haben zwischen Masse und Erde des Wandlers eine kleine zusätzliche Impedanz eingefügt. So können parasitäre Ströme (unterhalb 1 kHz) innerhalb des Schaltkreises „gefangen“ werden, ohne in das Stromnetz einzukoppeln. Diese Lösung reduziert geringfügig den Wirkungsgrad, verbessert jedoch die EMV erheblich.

Optimierung der X/Y-Kondensatoren

Innerhalb der Sicherheitsgrenzen (z. B. Y ≤ 4,7 nF) testen wir verschiedene Kapazitätswerte von X- und Y-Kondensatoren für eine maximale Filterwirkung. Das richtige Gleichgewicht zwischen Filterung, Sicherheit und Wandlerfunktion ist entscheidend.

Umsetzung und Tests

Implementierung der Änderungen

Nach Validierung durch Simulation und Vortests nehmen wir die Änderungen am PCB vor: Hinzufügen von Komponenten zur Erhöhung der Impedanz, Anpassung der Kondensatoren, Optimierung von Masse- und Erdverbindungen. Jede Änderung wird dokumentiert und direkt im EMV-Labor getestet.

Abschlusstests und Zertifizierungen (CE/FCC/UKCA)

Nach bestandenen Vortests erfolgt die vollständige Zertifizierung in einem akkreditierten EMV-Labor. Durch die kontinuierliche Zusammenarbeit mit dem gleichen Labor vermeiden wir Redundanzen und sparen Zeit. Mit den erhaltenen CE-, FCC- und UKCA-Kennzeichnungen ist das Produkt bereit für den Markt.

Zusammenfassung und Empfehlungen

1. Störquellen präzise identifizieren

Kritische Störpunkte (z. B. DC/DC-Wandler, Rückstrompfade) frühzeitig erkennen, bevor der Schaltkreis geändert wird.

2. Frühzeitig und regelmäßig testen

Regelmäßige Tests im selben Labor liefern konsistente Ergebnisse und beschleunigen die Zulassung.

3. Simulation und reale Messung kombinieren

Die Kombination aus Theorie und Praxis verbessert die Diagnose und die Effektivität (bis zu 99 %).

4. Filter (X/Y-Kondensatoren) optimieren

Werte nahe an den maximal zulässigen Grenzen (z. B. Y ≤ 4,7 nF) sorgen für optimale Filterung bei voller Sicherheit.

5. Impedanz des Rückstrompfades erhöhen

Eine zusätzliche Impedanz zwischen Masse und Erde hilft, parasitäre Ströme lokal zu halten.

6. Akkreditiertes Labor für Zertifizierungen nutzen

Die Zusammenarbeit mit einem zertifizierten Labor während des gesamten Projekts vermeidet Abweichungen und Verzögerungen.

7. Zusammenarbeit mit EMV-Experten

Eine langfristige Partnerschaft mit EMV-Ingenieuren und -Laboren ermöglicht schnellere Anpassungen und Projektoptimierung.

Wenn diese Prinzipien beachtet werden, können Start-ups und Hersteller von EV-Ladegeräten die Zertifizierungszeit, Redesign-Kosten und die Time-to-Market deutlich reduzieren. Die Zusammenarbeit mit EMV-Experten ist der Schlüssel zum Erfolg im dynamischen Markt der Elektromobilität.