20. Mai 2020

Störende elektromagnetische Felder erkennen

Alle elektrischen Geräte erzeugen im Betrieb zwangsläufig elektromagnetische Felder. Man kann das im Alltag sehr gut beobachten. Beispiel ist das Flimmern des alten PC-Monitors, wenn auf einem Mobiltelefon in der Nähe ein Anruf ankommt. Ursache für diese Störung ist das elektromagnetische Feld des Telefons. Auch bei E-Mountainbikes entsteht elektromagnetische Strahlung durch den Motor, da er seine Antriebskraft mithilfe derartiger Felder zwischen Rotor und Stator erzeugt. Die Leistungselektronik kann ebenso derartige Effekte hervorrufen. Hierzu gehören Schalter, Regler und Umwandler von elektrischen Spannungen. Ebenso entstehen solche Felder rund um alle Leitungen, durch die beim E-Mountainbike Strom fließt. Je länger solche Kabel sind, umso mehr verstärken sich derartige Effekte. Wenn solche Störungen beim E-Bike die Steuerung beeinträchtigen und der Motor ungewollt sein Verhalten ändert, kann es zu gefährlichen Situationen kommen, etwa im Straßenverkehr. Daher müssen die Ingenieure bei der Konstruktion eines E-Mountainbikes beachten, dass das Bike die Funktion anderer elektronischer Geräte nicht beeinträchtigt. Im Umkehrschluss ist es notwendig, die elektronischen Bauteile eines E-Bikes ihrerseits vor störenden Feldern abzuschirmen.

Prüfung elektromagnetischer Felder nach DIN-Norm

Das bedeutet für ROTWILD, dass das Unternehmen nicht nur den Motor als elektrischen Antrieb auf seine Abstrahlung, und seinen Schutz gegenüber Störungen durch elektromagnetische Felder, testen muss. Auch alle weiteren Komponenten wie beispielsweise die Beleuchtung, der Akku und das Display müssen sowohl einzeln, als auch als gesamtes System am fahrtüchtigen E-MTB den Standards entsprechen. Die Richtlinie DIN EN 15194:17 definiert hierfür die entsprechenden Voraussetzungen für eine Prüfung und für die elektromagnetische Verträglichkeit. Diese Prüfung gliedert sich in drei Teile. Beim Test der Störfestigkeit richten die Ingenieure Antennen auf das Bike aus, die Störungen im Frequenzbereich von 20 bis 2000 MHz aussenden. Die Tester schalten auf dem Prüfstand den Motor bei einer realistischen Geschwindigkeit von 22,5 km/h zu. Während des Tests darf die Drehzahländerung nicht über 10% liegen und auch der Betriebszustand des Systems muss unverändert bleiben. Alle Messungen geschehen sowohl vorne als auch hinten am Rad, sowie zusätzlich im Standby und Schiebehilfe-Modus. Während des Tests protokolliert der Prüfstand die Ausgangsleistung des Antriebs und dessen Drehzahl. Dabei darf die Drehzahländerung nicht über 10% liegen und auch der Betriebszustand des Systems muss unverändert bleiben. Zudem sind Kameras im Messraum installiert. Diese überwachen den Zustand und das Verhalten von Lichtanlagen und der Steuereinheit.

Vorbereitungen des Prüfstandes im Labor der Hansecontrol Zertifizierungsgesellschaft mbH, hier mit dem ROTWILD R.T750 TOUR.

"Der wichtigste Punkt ist, dass wir am Ende im Produkt alle stromführenden Komponenten und natürlich auch alle Leitungen abschirmen müssen. In Kombination mit einer sorgfältigen Montage können wir Unregelmäßigkeiten und Störeinflüsse bei unseren ROTWILD Bikes ausschließen." (Testimonial David Dönigus)

Der EMV-Test beinhaltet umfangreiche Testabläufe

Ebenso stehen die vom E-Bike abgegebenen elektromagnetischen Felder im Fokus. Im Bereich Störaussendung kontrollieren die Ingenieure, ob sich diese innerhalb bestimmter Grenzwerte bewegt. Hierzu läuft das Rad auf dem Prüfstand mit einer realistischen Last von 75% der Nenndauerleistung. Die exakt auf das Fahrrad ausgerichteten Antennen im Prüflabor erfassen mögliche Emissionen in einem Frequenzbereich von 30 bis 1000 MHz. Außerhalb dieser Bandbreite können die Emissionen beispielsweise Radiofrequenzen, Funkeinrichtungen oder Maschinen stören. Die Tester nehmen die Messungen auf beiden Seiten des Bikes und im Standby-Modus vor. Der ESD-Test prüft, ob Potenzialdifferenzen in der Umgebung die elektronischen Komponenten des E-Bikes stören. In der Praxis kann der Rider diese selbst verursachen. Jeder Mensch kann sich elektrostatisch aufladen. Greift man dann beispielsweise an das Display des E-Bikes, kann es zu einer Entladung der Spannung kommen. Im Testlabor geschieht dies mit Hilfe von ESD-Pistolen, die Kontaktentladungen bei +/- vier kV und Luftentladung bei +/- acht kV gezielt auf das E-Bike entladen. Durch den Beschuss darf es nicht zu anhaltenden Änderungen des Betriebszustandes des gesamten Bikes und aller elektronischen Teile kommen.

„Wir müssen die Tests sehr akkurat durchführen. Das Rüsten für die Messungen stellt einen erheblichen Aufwand dar. Bei Justieren des Prüfstands und beim Ausrichten der Messantennen ist höchste Präzision gefragt.“ (Testimonial David Dönigus)

EMV-Tests in Kooperation mit spezialisierten Experten

Für die aufwendigen EMV-Tests beauftragt ROTWILD renommierte Prüfinstitute, wie zum Beispiel die Hansecontrol Zertifizierungsgesellschaft in Hamburg. Diese verfügen über das notwendige hochwertige Messequipment und einen Prüfstand mit mobilen Kameras. Der ganze Testaufbau befindet sich in einer absorbierenden Messhalle, in der Atmosphärendruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit optimal zusammenpassen. Das Tempo der Neuentwicklungen ist gerade bei E-Bikes enorm hoch. Da alle neuen Komponenten nach der DIN-Richtlinie getestet werden müssen, sind die zeitintensiven Prüfungen einem eng getakteten Prozess unterworfen. Sie haben als unbedingt notwendiges Verfahren also einen sehr hohen Stellenwert in der kompletten Entwicklung eines neuen Bikes – vom ersten Entwurf bis hin zur Serienproduktion. Da ROTWILD alle Komponenten im Verbund testet, liegt das Hauptaugenmerk auf der Leitungsauslegung, der Kabelverlegung und deren Abschirmung. Denn Effekte aus Störquellen können sich über den Leitungsverlauf verstärken. Zudem sind gerade bei Displays die Rahmenbedingungen für einwandfreie EMV-Tests eine Herausforderung. Drucktaster müssen bestmöglich abgedichtet sein, um die geforderten Grenzwerte einzuhalten. Zudem besitzen diese Komponenten oftmals Gehäuse aus Kunststoffen, die je nach Zusammensetzung des Materials elektromagnetische Felder unterschiedlich gut abschirmen. Durch ein sauberes Produktdesign lassen sich jedoch auch diese Produkte so herstellen, dass sie alle Tests zur elektromagnetischen Verträglichkeit

David Dönigus

David Dönigus ist seit 2014 bei ROTWILD an Bord. Nach dem Maschinenbaustudium und unterschiedlichen beruflichen Stationen, unter anderem im Automotive-Bereich, ist er bei der Bike-Manufaktur als Research & Development Engineer beschäftigt. In dieser Rolle ist er federführend für den Themenbereich Systemintegration der Antriebseinheiten zuständig. Als leidenschaftlicher Mountainbiker ist er vor allem im Südhessischen und in Ligurien unterwegs.