Beim Autofahren hören die meisten Deutschen Radio. Doch im Elektroauto funktioniert das nicht so ohne weiteres. Denn beim Fahren mit dem E-Auto entstehen elektromagnetische Störeffekte, die Radiohören unmöglich machen. Elektroingenieur Dr. Eckart Hoene vom Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Integration hat nach der Ursache gesucht.
"Man hat in den Elektroautos Antriebe, die in der Leistung weit über das hinausgehen, was bisher in Autos verbaut wurde. Man muss diese Leistung, die aus der Batterie zum Elektromotor kommt, muss man steuern, dafür gibt es so eine Art elektronisches Getriebe, den so genannten Umrichter, und der zerhackt die Batterie-Spannung. Und dabei entstehen elektromagnetische Impulse, die dafür sorgen, dass der Radioempfang in unseren Autos dann gestört wird."
Diese Frequenzumrichter setzen die elektrische Energie in mechanische um, damit das Elektroauto überhaupt fahren kann. Dafür müssen diese Umrichter die Drehzahl des Elektromotors ständig ändern und dabei den Strom für den Motor extrem schnell einschalten und ausschalten. Eckart Hoene.
"Es entstehen beim Schalten sehr schnelle Ströme, sehr schnelle Spannung: Und das ist genau das gleiche, was ich mache, wenn ich beispielsweise ein Radiosignal erzeugen will. Dann erzeuge ich ein Signal mit einer bestimmten Frequenz, und weil diese Effekte sich zu ähnlich sind, beeinflussen die sich auf diese Weise."
Die Frequenzumrichter im Elektroauto erzeugen also selbst ein Radiosignal und überlagern damit die Frequenzen der Radioprogramme. Betroffen sind davon alle Frequenzbereiche, Mittelwelle wie UKW. Auch mit dem neuen digitalen Empfang via DAB+ kann man diesen Störfrequenzen nicht ausweichen. Und je besser die Radios werden, um so größer wird das Problem. Hoene:
"Das Problem ist natürlich, dass die Radios daraufhin gezüchtet werden, dass sie möglichst empfindlich sind, so dass sie möglichst schwache Sender noch empfangen können. Und deswegen sind die Anforderungen so groß, wenn ich daran so eine starke Quelle von Störungen habe, muss ich viele Größenordnungen an Amplitude dämpfen, damit das Radio noch seine Aufgabe erfüllen kann."
Also müssen Leitungen abgeschirmt, Frequenzumrichter und der Motor selbst isoliert und Filter eingebaut werden, die die elektromagnetischen Störimpulse herausfiltern. Das ist technisch machbar, aber teuer.
"Beispielsweise könnte ich mir vorstellen, dass ich alle Leitungen in Kupferrohre verlege. Dann hätte ich definitiv Ruhe. Aber dann wäre das Auto unbezahlbar und unendlich schwer. Deswegen geht es immer gerade darum, wie viel ist gerade nötig, dass ich mein Ziel erreiche, aber trotzdem noch eine kostengünstige Lösung habe."
Mit Kohlefasern abgeschirmte Kabel, besonders isolierte Stecker, die keine Störsignale nach außen lassen und eigens für das Elektroauto entwickelte Filter verhindern, dass die vom Frequenzumrichter erzeugten Signale zur Radioantenne gelangen können und dort den Empfang stören. Besonders wirksam ist dabei das Herausfiltern der Störimpulse. Dafür haben die Berliner Forscher eigene Filter-Bauteile entwickelt.
"Das sind relativ einfache Elemente. Da sind Kondensatoren und Spulen drin. Das sind elektronische Bauteile, die allerdings für die hohen Ströme, die da entstehen, ein typischer Wert ist 200 Ampere, ausgelegt sein müssen. Das heißt, die sind einfach mit sehr viel Kupfer gebaut, also das sind dicke, dicke Kupferleitungen. Man kennt das ja vielleicht aus dem Haushalt. Aus einer Steckdose kommen normalerweise 16 Ampere raus und wir haben jetzt mehr als das Zehnfache, was wir in einem Auto handeln."
Deshalb kommt es auf die Wicklung der Spule und auf die Filterleistung des zugrunde liegenden Halbleiterelements an. Außerdem simulieren die Berliner Forscher den Motor- und Innenraum von Elektroautos, um genau herauszubekommen, an welchen Stellen welche Filter und welche Kabelabschirmungen gesetzt werden müssen, um mit möglichst wenig zusätzlichem Gewicht die elektromagnetischen Störimpulse an der Ausbreitung zu hindern.
"Man hat in den Elektroautos Antriebe, die in der Leistung weit über das hinausgehen, was bisher in Autos verbaut wurde. Man muss diese Leistung, die aus der Batterie zum Elektromotor kommt, muss man steuern, dafür gibt es so eine Art elektronisches Getriebe, den so genannten Umrichter, und der zerhackt die Batterie-Spannung. Und dabei entstehen elektromagnetische Impulse, die dafür sorgen, dass der Radioempfang in unseren Autos dann gestört wird."
Diese Frequenzumrichter setzen die elektrische Energie in mechanische um, damit das Elektroauto überhaupt fahren kann. Dafür müssen diese Umrichter die Drehzahl des Elektromotors ständig ändern und dabei den Strom für den Motor extrem schnell einschalten und ausschalten. Eckart Hoene.
"Es entstehen beim Schalten sehr schnelle Ströme, sehr schnelle Spannung: Und das ist genau das gleiche, was ich mache, wenn ich beispielsweise ein Radiosignal erzeugen will. Dann erzeuge ich ein Signal mit einer bestimmten Frequenz, und weil diese Effekte sich zu ähnlich sind, beeinflussen die sich auf diese Weise."
Die Frequenzumrichter im Elektroauto erzeugen also selbst ein Radiosignal und überlagern damit die Frequenzen der Radioprogramme. Betroffen sind davon alle Frequenzbereiche, Mittelwelle wie UKW. Auch mit dem neuen digitalen Empfang via DAB+ kann man diesen Störfrequenzen nicht ausweichen. Und je besser die Radios werden, um so größer wird das Problem. Hoene:
"Das Problem ist natürlich, dass die Radios daraufhin gezüchtet werden, dass sie möglichst empfindlich sind, so dass sie möglichst schwache Sender noch empfangen können. Und deswegen sind die Anforderungen so groß, wenn ich daran so eine starke Quelle von Störungen habe, muss ich viele Größenordnungen an Amplitude dämpfen, damit das Radio noch seine Aufgabe erfüllen kann."
Also müssen Leitungen abgeschirmt, Frequenzumrichter und der Motor selbst isoliert und Filter eingebaut werden, die die elektromagnetischen Störimpulse herausfiltern. Das ist technisch machbar, aber teuer.
"Beispielsweise könnte ich mir vorstellen, dass ich alle Leitungen in Kupferrohre verlege. Dann hätte ich definitiv Ruhe. Aber dann wäre das Auto unbezahlbar und unendlich schwer. Deswegen geht es immer gerade darum, wie viel ist gerade nötig, dass ich mein Ziel erreiche, aber trotzdem noch eine kostengünstige Lösung habe."
Mit Kohlefasern abgeschirmte Kabel, besonders isolierte Stecker, die keine Störsignale nach außen lassen und eigens für das Elektroauto entwickelte Filter verhindern, dass die vom Frequenzumrichter erzeugten Signale zur Radioantenne gelangen können und dort den Empfang stören. Besonders wirksam ist dabei das Herausfiltern der Störimpulse. Dafür haben die Berliner Forscher eigene Filter-Bauteile entwickelt.
"Das sind relativ einfache Elemente. Da sind Kondensatoren und Spulen drin. Das sind elektronische Bauteile, die allerdings für die hohen Ströme, die da entstehen, ein typischer Wert ist 200 Ampere, ausgelegt sein müssen. Das heißt, die sind einfach mit sehr viel Kupfer gebaut, also das sind dicke, dicke Kupferleitungen. Man kennt das ja vielleicht aus dem Haushalt. Aus einer Steckdose kommen normalerweise 16 Ampere raus und wir haben jetzt mehr als das Zehnfache, was wir in einem Auto handeln."
Deshalb kommt es auf die Wicklung der Spule und auf die Filterleistung des zugrunde liegenden Halbleiterelements an. Außerdem simulieren die Berliner Forscher den Motor- und Innenraum von Elektroautos, um genau herauszubekommen, an welchen Stellen welche Filter und welche Kabelabschirmungen gesetzt werden müssen, um mit möglichst wenig zusätzlichem Gewicht die elektromagnetischen Störimpulse an der Ausbreitung zu hindern.