EMV-Experten: Die Award-Gewinner der EMV 2018

| Redakteur: Johann Wiesböck

Die Gewinner, von links nach rechts: Andreas Bendicks, Maik Rogowski, Denis Müller, Dr. Bastian Arndt (nicht anwesend)
Die Gewinner, von links nach rechts: Andreas Bendicks, Maik Rogowski, Denis Müller, Dr. Bastian Arndt (nicht anwesend) (Bild: Mesago/Thomas Klerx)

Die EMV 2018, Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, ehrte zum Abschluss ihre besten Sprecher. Die Gewinne rund ihre spannenden Themen finden Sie hier.

Ob intelligente Lösungen, innovative Denkansätze oder neue zukunftsweisende Modelle der elektromagnetischen Verträglichkeit: Das Kongresskomitee der EMV 2018 zeichnete die drei innovativsten Beiträge des Kongresses für den Best Paper Award und den hochwertigsten Beitrag eines jungen Ingenieuren (max. 35 Jahre alt) für den Young Engineer Award aus. Für die Bewertung war neben der Qualität und Aktualität der Paper zu unterschiedlichen Themenbereichen der EMV, die Präsentationen der Referenten während der Sessions entscheidend.

Der Kongress endete am 22.02.2018 mit der Award-Verleihung auf dem Messeforum. Die Gewinner durften sich neben einer gelungenen Präsentation über die Veröffentlichung ihres Manuskripts im Tagungsband und ein Preisgeld in Höhe von 500 Euro für den Young Engineer Award und je 700 Euro für die Best Paper Awards freuen.

Prof. Dr.-Ing. Heyno Garbe (Leibniz Universität Hannover) Komiteevorsitzender der EMV 2018 und Jurorenmitglied für beide Awards, erklärt die Bedeutung des Young Engineer Awards für die EMV-Branche folgendermaßen:

„Wir freuen uns über die Vielzahl von interessanten und hochqualifizierten Beiträgen, die wir erhalten haben. Der Young Engineer Award hat auch in diesem Jahr hohe Anforderungen an die Teilnehmer gestellt. Umso mehr freuen wir uns, dass so viele kluge Köpfe ihre Abstracts eingereicht haben. Plattformen wie die EMV sind wichtig: Sie verbinden die nächste Generation der Ingenieure mit erfahrenen und innovativen Menschen – alle können davon profitieren.“

Insgesamt wurden drei Best Paper Awards und ein Young Engineer Award auf der EMV 2018 in Düsseldorf verliehen.

Gewinner des Best Paper Awards der EMV 2018:

  • Dr. Bastian Arndt, AVL Trimerics GmbH, Regensburg, Deutschland: „Breitbandiger aktiver Hybrid-Filter für Kfz-Anwendungen“
  • M.Sc. Denis Müller, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland: „Automatisierte Filteroptimierung für Hochvoltbordnetze basierend auf Simulationen zur Störspannungsvorhersage“
  • M.Sc. Maik Rogowski, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland: „Nutzung von Standard Software zur Simulation von Testanlagen für niederfrequente Magnetfelder“

Gewinner des Young Engineer Awards der EMV 2018:

  • M.Sc. Andreas Bendicks, Technische Universität Dortmund, Dortmund, Deutschland: „FPGA-basierte aktive Gegenkopplung der Schaltharmonischen von leistungselektronischen Systemen“

„Für mich war der Young Engineer Award auf der EMV eine super Gelegenheit, um meine Forschungsinhalte einem großen Publikum zu präsentieren. Diese Veranstaltung bietet eine klasse Möglichkeit, neue Kontakte zu knüpfen, es ist wirklich eine ganz wertvolle Plattform für uns.“

Im Folgenden finden Sie die Kurzfassungen der Vorträge der Best-Paper-Award-Preisträger und des Young-Engineer-Award-Gewinners der EMV 2018.

Gegenkopplung der Schaltharmonischen in der Leistungselektronik

Die voranschreitende Elektrifizierung des Kfz bedingt eine steigende Anzahl an leistungselektronischen Konvertern zur Energiewandlung und -verteilung. Aufgrund der zugrundeliegenden PWM-Signale können diese Systeme erhebliche elektromagnetische Störungen erzeugen, welche beispielsweise den Empfang von Funkdiensten, die für das automatisierte Fahren eine noch größere Bedeutung bekommen werden, verschlechtern oder unmöglich machen. In der Praxis werden in den Konvertern üblicherweise passive Filterstrukturen eingesetzt, welche jedoch groß, schwer und teuer sind.

In einer Forschungsarbeit des Arbeitsgebiets Bordsysteme werden aktive Gegenkopplungskonzepte untersucht und entwickelt. Bei diesen Konzepten werden die Störungen durch Gegenstörungen überlagert, wodurch es idealerweise zu einer vollständigen Auslöschung der Signale kommt. Dieser Ansatz verspricht im Vergleich zu passiven Lösungen eine erhebliche Bauraum- und Gewichtsreduktion, da die wesentliche Struktur aus Siliziumhalbleitern (und nicht aus vergleichsweise großen Spulen und Kondensatoren) besteht. Im Gegensatz zu den bisher üblichen Realisierungen kommen flexible FPGA-Signalverarbeitungssysteme anstelle von analogen Schaltungsstrukturen zum Einsatz.

Im Rahmen des Beitrags wird demonstriert, wie die aktive Gegenkopplung bis etwa 30 MHz auf FPGA-Systemen implementiert werden kann. Die besonderen Möglichkeiten und grundsätzlichen Begrenzungen werden herausgearbeitet und diskutiert. Das Vorgehen und die Wirksamkeit des Konzepts werden an einem praxisnahen Applikationsbeispiel demonstriert.

Breitbandiger aktiver Hybrid-Filter für Kfz-Anwendungen

Aktuelle EMV-Filter für automobile Anwendungen weisen im Hochvoltbereich deutliche Einschränkungen auf. Für ausreichende Filterleistungen werden Bauteilgrößen notwendig, die technisch nicht verfügbar sind. So können für Kfz-Hochvoltsysteme Isolationsspannungen bis 3000V gefordert werden, was für übliche Bauteilwerte schwer bzw. nur kostenintensiv umsetzbar ist. Des Weiteren sind Filtertopologien mit Y-Kondensatoren aufgrund von Sicherheitsvorschriften stark in den Kapazitätswerten limitiert und damit für den MHz-Bereich (AM) kaum anwendbar. Filtertopologien, basierend auf magnetischen Bauteilen werden aufgrund der hohen Ströme groß, schwer und teuer.

In der bisherigen gängigen Praxis werden insbesondere im automobilen Bereich meist passive Bauteile zur Filterung von leitungsgebundenen Störungen verwendet. Bei aktuellen Kfz-Hochvoltsystemen stoßen diese Filterstrategien an ihre Grenzen. Abhilfe können aktive Filterschaltungen schaffen. Diese sind jedoch für höhere Frequenzen kaum mehr anwendbar. In diesem Beitrag wird daher eine Filterstrategie mithilfe einer Kombination aus aktiven und passiven Filter vorgestellt, die die Vorteile beider Topologien vereint bzw., deren Nachteile kompensiert. Hierbei wird ein hybrider Filter aufgezeigt, der aus aufeinander abgestimmte Filter besteht.

Die Kombination und deren Abstimmung aufeinander ist hilfreich, um kleinere und kostengünstigere EMV-Filter zu konzipieren. Der Aufbau der aktiven Filterstrukturen mit dem Augenmerk auf schnelle Laufzeiten durch bipolare Verstärker ermöglicht den Einsatz zur Unterdrückung von transienten Störungen bis in den MHz-Bereich. Dies stellt für Kfz-Hochvoltsysteme eine Neuerung dar.

Filteroptimierung für Hochvoltbordnetze zur Störspannungsvorhersage,

Der Einsatz von Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern in Traktionsinverter für Elektrofahrzeuge bietet deutliche Vorteile beim benötigten Bauraum gegenüber konventionellen Silizium-Leistungshalbleitern. Da diese Halbleiter steilflankige Schaltvorgänge zum Ziel haben, die jedoch ein hohes Störpotential bieten, muss die Dimensionierung der notwendigen Filter größer ausfallen. Damit wird der eigentliche Nutzen, die Einsparung von Bauraum, reduziert. Gleichzeitig sollen durch den Wegfall der Kabelschirmung Gewicht und Kosten reduziert werden.

Diese Mechanismen führen zu immer härteren Anforderungen an die Filterbaugruppen hinsichtlich Einfügedämpfung, Kosten und Gewicht. Ziel der Entwicklung ist es, einen möglichst kompakten und bauteileffizienten Filter zu konstruieren, der die benötigte Einfügedämpfung zur Entstörung des Traktionsinverters aufweist. Um diesen Entwicklungsprozess zu beschleunigen und gleichzeitig ein Optimum hinsichtlich der genannten Rahmenbedingungen zu finden, wird ein Tool entwickelt und getestet, welches auf evolutionären Optimierungsalgorithmen basiert. Zunächst wird die Filtertopologie anhand eines einphasigen Ersatzschaltbilds vorgegeben.

Die Optimierung betrachtet sowohl Bauteilwerte als auch den entsprechenden Bauteilaufwand. Die zweistufige Verifikation der optimierten Filter erfolgt im ersten Schritt mittels einer 3D-Simulation des gesamten Prüfaufbaus. Bewertet werden die zu erwartenden, leitungsgebundenen Störungen. Im zweiten Schritt wird die Einfügedämpfung durch Messungen am realen Aufbau betrachtet. Abschließend wird die Eignung des Differential Evolution Algorithmus zur elektrischen Auslegung und Optimierung von Filterstrukturen bewertet.

Simulation von Testanlagen für niederfrequente Magnetfelder

Normkonforme Störaussendungs- und Störfestigkeitsmessungen müssen in einer definierten Messumgebung wie einer Absorberhalle (SAR oder FAR) oder auf einem Freifeldmessplatz (OATS) durchgeführt werden. Dabei stellt die Messung von magnetischen Feldern im Frequenzbereich von 9 kHz bis 30 MHz noch immer eine große messtechnische Herausforderung dar, da der Abstand zwischen Messobjekt und Antenne wesentlich kleiner ist als die Wellenlänge der jeweils betrachteten Frequenz. Es gibt zwar ein Verfahren zur Validierung von EMV-Messplätzen in diesem Frequenzbereich, jedoch kaum Untersuchungen zum Einfluss einer realen Groundplane auf das Messergebnis.

In diesem Beitrag wird daher mit Hilfe von Simulations- bzw. numerischen Feldberechnungsprogrammen der Einfluss von Materialeigenschaften der Groundplane, wie beispielsweise die Leitfähigkeit oder die relative Permeabilität µr, auf die Messung von magnetischen Feldern im niederfrequenten Bereich zu untersucht.

Mehr Infos zu den Seminaren der EMV-Praxis 2018 sowie aller Veranstaltungs-Termine und -Orte finden Sie unter www.emv-praxis.de.

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