Test der elektromagnetischen Verträglichkeit

Begriffserklärung

Wie alle elektronischen Geräte erzeugt auch ein E-MTB im Betrieb elektromagnetische Felder. Diese entstehen durch den Motor, da er, wie jeder andere Elektromotor auch, seine Antriebskraft mithilfe derartiger Felder zwischen Rotor und Stator erzeugt. Am E-MTB verursacht aber nicht nur der Motor elektromagnetische Felder. Auch die vorhandene Leistungselektronik wie beispielsweise Schalter, Regler und Umwandler von elektrischen Spannungen, kann derartige Effekte hervorrufen. 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.

Bei der Konstruktion eines E-MTBs müssen die Ingenieure beachten, dass die zwangsläufig auftretenden elektromagnetischen Felder die Funktion von anderen elektronischen Geräten nicht beeinträchtigen. Ebenso ist es notwendig Fehlfunktionen am E-MTB zu verhindern. Dies gelingt nur, wenn alle elektronischen Bauteile des E-Bikes optimal vor störenden Feldern, die von anderen Geräten und Maschinen ausgehen, geschützt werden.

Im Alltag kann man Störungen durch elektromagnetische Felder sehr anschaulich beobachten. Zum Beispiel wenn man seinem Handy bei einem eingehenden Anruf in die Nähe von einem Monitor platziert hat. Der Bildschirm beginnt zu flimmern. Ursache für diese Störung ist das elektromagnetische Feld des Telefons. Auch das plötzliche Rauschen und Knacken der Hi-Fi-Anlage ist ein Zeichen dafür, dass ein anderes elektrisches Gerät in der Nähe Störungen verursacht.

Ablauf eines EMV Tests beim E-Bike

Die für E-MTBs geltenden Kriterien der elektromagnetischen Verträglichkeit sind in der Richtlinie DIN EN 15194:17 definiert. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu wissen, dass jedes elektronische Bauteil am E-Bike für sich diesen vorgeschriebenen Standards entsprechen muss. Zudem schreibt die DIN EN 15194:17 vor, dass abschließend alle Systemkomponenten, die ein Hersteller in Verkehr bringen will, im Verbund geprüft werden müssen.

In der Praxis bedeutet das für den Produzenten von E-Bikes, dass nicht nur der Motor als elektrischer Antrieb auf seine Abstrahlung, und seinen Schutz gegenüber Störungen durch elektromagnetische Felder, getestet werden muss. Alle Komponenten wie beispielsweise die Beleuchtung, der Akku und das Display müssen sowohl einzeln, als auch am fahrtüchtigen Rad den Standards entsprechen.

Bei den notwendigen Tests unterscheidet man drei Bereiche:

1. Test der Störfestigkeit

Während das Fahrrad auf dem Prüfstand steht, wird der Motor zur Unterstützung mit realistischer Geschwindigkeit [22,5 km/h] zugeschaltet. Auf das Bike werden Antennen ausgerichtet, die eine Störfrequenz im Frequenzbereich von 20-2000 MHz aussenden. Alle Messungen werden sowohl vorne als auch hinten am Rad, sowie zusätzlich im Standby und Schiebehilfe-Modus durchgeführt.

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.

Während das Fahrrad den Störfrequenzen ausgesetzt ist, darf es nicht zu Drehzahländerungen des Antriebs oder anderweitigen Funktionsstörungen des Systems über den zulässigen Grenzwerten kommen. Würden diese in der Praxis auftreten, könnte die Pedelec-Steuerung beeinträchtigt werden und beispielsweise der Motor ungewollt sein Verhalten erheblich ändern. Stellt man sich eine solche Störung beim Radfahren im Straßenverkehr, zum Beispiel beim Warten vor einer roten Ampel vor, wird eine solche Fehlfunktion schnell zu einer ernsthaften Gefahr.

2. Messung der Störaussendung

Alle Emissionen der vom E-Bike verursachten elektromagnetischen Felder müssen unter den geltenden Grenzwerten bleiben. Ansonsten können beispielsweise Radiofrequenzen, Funkeinrichtungen oder Maschinen gestört werden. Um dies zu testen, wird das E-Bike auf einem Dynamometer eingerichtet und mit einer realistischen Last von 75% der Nenndauerleistung betrieben. Die Antennen zum Aufnehmen möglicher Störaussendungen des Bikes werden exakt auf das Fahrrad ausgerichtet und erfassen Emissionen in einem Frequenzbereich von 30-1000 MHz. Alle Messungen werden sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite und im Standby Modus durchgeführt.

3. ESD – Test der elektrostatischen Entladung

Bei diesem Testverfahren wird überprüft, ob die elektronischen Komponenten des E-Bikes durch Potenzialdifferenzen in der Umgebung gestört, und in ihrer Funktion beeinträchtigt, werden. Im Testlabor geschieht dies mithilfe von ESD Pistolen die Kontaktentladungen bei +/- 4 kV und Luftentladung bei +/- 8 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.

In der Praxis kann beispielsweise der Radfahrer Potenzialdifferenzen und Störungen verursachen. Denn jeder Mensch kann sich elektrostatisch aufladen und dann eine Entladung der Spannung, beispielsweise beim Griff an das Display des E-Bikes, hervorrufen. Ebenso sind alle elektronischen Komponenten mit dem Fahrrad verbunden. Wenn sich in diesen Bauteilen zueinander etwas in ihrem Spannungsverhältnis ändert, können Potenzialdifferenzen, die die Funktion stören, auftreten.

Die eigentlichen Messungen und Tests lassen sich in vergleichsweise kurzer Zeit durchführen und dauern nur wenige Minuten. Wesentlich aufwendiger sind hingegen der Aufbau des Prüfstands und das Ausrichten der Antennen. Damit alle Tests exakt durchgeführt werden können, muss das E-Bike auf dem Rollenprüfstand im Messraum in der korrekten Position fixiert werden. Auch das Wechseln der Antennen für die unterschiedlichen Frequenzbereiche ist ein zeitaufwendiger Prozess.

Hintergründe und Herausforderungen

Da die aufwendigen EMV Test nicht in der eigenen ROTWILD Entwicklungswerkstatt durchgeführt werden können, arbeiten wir hierfür mit renommierten Prüfinstituten zusammen. 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 müssen.

Die Entwicklungsgeschwindigkeit ist bei E-Bikes derzeit enorm. Entsprechend groß ist die Nachfrage nach Testterminen in den unabhängigen Prüflaboren. Dies macht es für die Ingenieure nicht einfach, Labore zu finden, die im Hinblick auf den geplanten Serienstart eines neu entwickelten E-MTBs noch Kapazitäten frei haben.

Da wir alle Komponenten im Verbund testen hat es sich bewährt das Hauptaugenmerk auf die Leitungsauslegung, -verlegung und deren Abschirmung zu legen. 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 bestehen.

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