Vernetzte Elektronik

Die EMV-Anforderungen in Elektro- und Hybridfahrzeugen

03.03.14 | Autor / Redakteur: Matthias Richter, Norman Müller und Matthias Trebeck * / Hendrik Härter

EMV-Anforderungen: Die elektrischen und elektronischen Systeme in einem Elektro- und/oder Hybridfahrzeug werden komplexer und müssen zuverlässig funktionieren. Die Westsächsische Hochschule Zwickau verfügt über einen eigenen Messraum.
EMV-Anforderungen: Die elektrischen und elektronischen Systeme in einem Elektro- und/oder Hybridfahrzeug werden komplexer und müssen zuverlässig funktionieren. Die Westsächsische Hochschule Zwickau verfügt über einen eigenen Messraum. (Foto: Westsächsische Hochschule Zwickau)

Die Fahrzeugelektronik und die Vernetzung von Elektroniksystemen in Fahrzeugen steigen weiter an. Damit das Gesamtsystem Fahrzeug zuverlässig funktioniert, müssen EMV-Anforderungen erfüllt werden.

Die Kundenbedürfnisse an aktuelle und zukünftige Fahrzeuge führen dazu, dass ständig neue Innovationen zu entwickeln sind. Diese werden vorzugsweise durch Elektrik-/Elektroniksysteme realisiert. Die Forderung nachhaltig die zukünftige Mobilität unserer Gesellschaft umweltfreundlich und ressourcenschonend zu realisieren, erfordert einerseits alternative Mobilitäts- und Antriebskonzepte. Außerdem muss die elektromagnetische Verträglichkeit sichergestellt werden.

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Neben Themenstellungen bei der Entwicklung der Fahrzeuge sind insbesondere die Anforderungen durch die Verbindung mit dem Niederspannungsnetz relevant. Andererseits treibt der stetig steigende Vernetzungsgrad von Elektroniksystemen im Fahrzeug etablierte Bussysteme an ihre physikalischen Grenzen, so dass höhere Datenraten übertragen werden müssen. Für sicherheitsrelevante Funktionen wird zusätzlich eine determinierte Datenübertragung gefordert.

Vernetzte Fahrzeugelektroniksysteme

Fahrzeughersteller integrieren daher Bussysteme in ihre Fahrzeuge, die hohe Datenraten zuverlässig übertragen. Hier seien die Kommunikationssysteme FlexRay, Ethernet, MOST150 und Power-Line-Communication (PLC) genannt. Die untereinander vernetzen Fahrzeugelektroniksysteme sind relevant für die Funktionszuverlässigkeit des gesamten Systems Fahrzeug. Dabei spielt die Immunität gegen innere und äußere elektrische Störsignale eine wichtige Rolle und muss zwingend beherrscht werden. Aber auch die Störemission darf nicht zur unzulässigen Beeinflussung der anderen Elektroniksysteme an Bord eines Fahrzeuges führen.

Messgeräte neu anpassen oder spezifizieren

Auf Grund der hohen Komplexität können die EMV-Anforderungen des Gesamtsystems im Fahrzeug nur erfüllt werden, wenn man diese wie im Bild 1 dargestellt vorerst auf Komponenten- bzw. Systemebene und auf Bauteilebene detailliert und die EMV-Eigenschaften auf diesen Ebenen gezielt entwickelt. Die Einhaltung der EMV muss bei der Integration in das Gesamtfahrzeug erhalten bleiben. Der Nachweis der Erfüllung der EMV-Anforderungen erfolgt in der Kraftfahrzeugentwicklung vorzugsweise auf Labor- und Fahrzeugebene, in dem die Komponenten einerseits in einer nachgebildeten Fahrzeugumgebung und andererseits im realen Fahrzeug getestet werden.

Für elektrisch getriebene Fahrzeuge hat das zur Konsequenz, dass Mess- und Prüfverfahren, Messaufbauten zur Nachbildung der Fahrzeugumgebung und gegebenenfalls Messgeräte angepasst oder neu spezifiziert werden müssen. Die Hochvoltkomponenten sind sinnvollerweise im Gesamtsystem zu testen, so dass die Komponenten- und Systemebene zusammengefasst werden kann. Auf Fahrzeugebene sind insbesondere EMV-relevante Betriebszustände des Antriebssystems zu ermitteln und in die Produkt- und Prüfspezifikation aufzunehmen. Auf Bauteilebene sind Integrationstestmethoden für die Bewertung der Schirmdämpfung von Gehäusen und Leitungen sowie die EMV-Eigenschaften für Hochvolthalbleiter zu entwickeln.

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Die EMV in Elektrofahrzeugen beherrschen

Der Elektroantrieb in Fahrzeugen erfordert neben dem konventionellen Bordnetz auch Systeme zur Speicherung der elektrischen Energie sowie zur Steuerung und Traktion auf einer wesentlich höheren Spannungsebene. In Elektro- und Hybridfahrzeugen wird das konventionelle Bordnetz um ein Hochvoltbordnetz zur Realisierung des elektrischen Traktionssystems erweitert. Durch die Integration wird die Komplexität der Fahrzeugelektronik deutlich gesteigert und eine wesentlich höhere Spannungsebene bis 1000 V eingeführt. Aufgrund von funktionell bedingten, schnellen Schaltvorgängen erzeugen die so genannten elektronischen Hochvoltkomponenten wie beispielsweise der leistungselektronische Umrichter oder der DC-DC-Wandler sehr intensive elektromagnetische Störungen (Bild 2).

Die EMV-Situation bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb

Die prinzipielle Kopplung der beschriebenen elektromagnetischen Störungen des Hochvolt- (HV-) oder Traktionssystems in das konventionelle Bordnetz und das Niederspannungsnetz des Energieversorgers sind im Bild 3 dargestellt. Die Entkopplung führt zu anspruchsvollen Herausforderungen, um die elektromagnetische Verträglichkeit der Elektrofahrzeuge zu realisieren. Zur Spezifikation der EMV-Eigenschaften muss das Störpotenzial von elektrischen Antriebssystemen in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen analysiert werden.

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