Vernetzte Elektronik Die EMV-Anforderungen in Elektro- und Hybridfahrzeugen

Autor / Redakteur: Matthias Richter, Norman Müller und Matthias Trebeck * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

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

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Bild 1: Die EMV-Integrationsebenen für Kraftfahrzeugelektroniksysteme für das Gesamtsystem Fahrzeug
Bild 1: Die EMV-Integrationsebenen für Kraftfahrzeugelektroniksysteme für das Gesamtsystem Fahrzeug
(Westsächsische Hochschule Zwickau)

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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Interview mit Professor Dr.-Ing. Heyno Garbe

Die ELEKTRONIKPRAXIS sprach im Vorfeld der EMV über die Problematik der Elektromagnetischen Verträglichkeit vor allem im Automobilbau. Professor Dr.-Ing. Heyno Garbe ist Vorstand des Komitees der EMV 2014 und Leiter des Fachgebietes Elektromagnetische Verträglichkeit, Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik an der Leibniz Universität in Hannover.

Welches sind für Sie die momentan wichtigsten Themengebiete und Problemstellungen in der EMV-Branche?

Prof. Garbe: Die großen Herausforderungen der EMV ergeben sich überall dort, wo unterschiedliche elektrische und elektronische Systeme in enger Nachbarschaft störungsfrei arbeiten sollen. Seit langem besteht diese Herausforderung besonders im Automobilbereich. Diese Situation hat sich durch das Thema E-Mobility noch weiter verschärft. Ein weiteres hochaktuelles Gebiet ist das Thema erneuerbare Energien und damit verbunden die dezentrale Energiegewinnung. Hier werden zum Beispiel Stromrichter, die bisher nur in Industriegebieten eingesetzt wurden, nun in Wohngebieten betrieben. Grundsätzlich kann festgestellt werden, je dichter die unterschiedlichen elektrischen Systeme zusammengeführt werden, desto mehr steigt das Risiko der unerwünschten Wechselwirkung.

Finden Sie die Themen auch im Kongressprogramm der EMV 2014 wieder?

Prof. Garbe: Natürlich ist es die Aufgabe der EMV 2014 Antworten auf diese aktuellen Herausforderungen zu geben. Da die Verkehrstechnik in Deutschland einen erheblichen Wirtschaftsfaktor darstellt, wird sich die EMV 2014 durchgängig mit diesem Thema in sechs verschiedenen Sessions und einem Tutorial beschäftigen. Selbstverständlich liegt der große Schwerpunkt hier auf den Aspekten der Automobilindustrie. Luft- und Seefahrt werden aber nicht vergessen.

Nach welchen Kriterien wurde das Kongressprogramm der EMV 2014 zusammengestellt?

Prof. Garbe: Das Programmkomitee, in welchem Personen der Industrie, der Behörden als auch des akademischen Bereiches zu finden sind, legt die Struktur des Kongresses fest. Weiterhin werden dann die Beiträge zum Kongress, passend zu dieser gemeinsam definierten Struktur, ausgewählt. Dabei war es immer unser Ziel, dass neue, fundierte Problemlösungen präsentiert werden.

Warum sollten es EMV-Akteure und Anwender keinesfalls versäumen, am EMV Kongress in Düsseldorf teilzunehmen?

Prof. Garbe: Alle zwei Jahre erfahren sie in Düsseldorf, wie man die aktuellen Herausforderungen meistern kann. Weiterhin lernen sie Personen kennen, die sich ähnlichen Aufgaben stellen müssen und die vielleicht schon eine Lösungsidee bereit haben. Die Hauptaufgabe der EMV ist es nämlich, Störungen des eigenen Systems durch fremde Systeme zu vermeiden. Hierzu muss man aber wissen, wie man diese Fremdstörungen detektieren, identifizieren und vermeiden kann. Lösungsansätze erfahren sie vom 11. bis 13. März in Düsseldorf.

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.

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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

Die Hochvoltelektroniksysteme für die Antriebe in Elektrofahrzeugen besitzen ein sehr hohes Störpotential. Dabei gelingt die EMV der Elektrofahrzeuge nur, wenn einzelne Integrationsebenen beeinflusst werden. Das reicht vom Bauteil wie Hochvoltleitungen oder Hochvolthalbleiterschaltkreise über die Hochvoltelektronikkomponenten im Gesamtsystem bis zur EMV-gerechten Integration des Hochvoltsystems. Dazu wurden EMV-Testmethoden auf System- und Fahrzeugebene modifiziert und auf Bauteilebene neu entwickelt.

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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