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Das 48-Volt-Bordnetz als Herausforderung für die EMV

| Autor / Redakteur: Óscar Ciordia * / Thomas Kuther

Das 48-Volt-Bordnetz zieht in immer mehr Fahrzeuge ein. Aber die hohe Bordnetzspannung birgt Gefahren für die 12-Volt-Systeme. Doch die EMV lässt sich mit galvanischer Trennung sicherstellen.

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Die Notwendigkeit für ein allumfassendes Kommunikationsnetz im Fahrzeug, und speziell zwischen Steuergeräten, die unterschiedlichen Spannungsdomänen angehören, stellt eine mögliche Gefahrenquelle dar (Symbolbild).
Die Notwendigkeit für ein allumfassendes Kommunikationsnetz im Fahrzeug, und speziell zwischen Steuergeräten, die unterschiedlichen Spannungsdomänen angehören, stellt eine mögliche Gefahrenquelle dar (Symbolbild).
(Bild: Clipdealer)

In jedem elektrischen Antriebsstrang sind elektromagnetische Störungen in ein zentrales Thema, gleich ob bei Elektro- oder Hybrid-Architekturen. Sie beeinträchtigen den Betrieb elektronischer Schaltkreise innerhalb des Autos. Gegenmaßnahmen sollten daher gleich in frühen Entwicklungsphasen ansetzen. Eine wirkungsvolle Maßnahme ist, aufgrund der gefährlich hohen Spannung die Domänen des Batteriemanagement-Systems sowie die primären und sekundären Systeme der AC/DC- und DC/DC-Wandler galvanisch zu entkoppeln.

Das 48-Volt-Bordnetz ist eine Herausforderung für die elektromagnetische Verträglichkeit und die Sicherheitsanforderungen im Fahrzeug. Bereits eine einzige Störung zwischen dem 48- und dem 12-Volt-Elektrosystem löst einen Kurzschluss aus, der aufgrund der Überspannung das gesamte 12-Volt-System beschädigen kann. Neue Sicherheitsvorkehrungen sind notwendig. Zur galvanischen Trennung eignen sich Verbindungen mit optischer Polymerfaser (POF) aufgrund der inhärenten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Zudem bieten sie Ethernet-kompatible Lösungen mit derzeit 100 Mbit/s und 1 Gbit/s und zukünftig Multi-Gigabit sowie ausreichend Toleranz, um in der rauen Automotive-Umgebung zu bestehen.

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48 Volt erfordern eine galvanische Trennung

Das Chassis ist das gemeinsame Massepotenzial sämtlicher 48-Volt-Steuergeräte im Fahrzeug. Da die Impedanz des Chassis ungleich Null ist, leitet es einen erheblichen Teil des Rückstroms ab; und ein Anteil des Rückstroms bahnt sich seinen Weg parallel – über die Abschirmung der Kupferkabel. So hat ein OEM festgestellt, dass die Abschirmung von verdrillten, geschirmten Kabeln (Shielded Twisted Pair, STP) aufgrund des 48-Volt-Starteffekts mehr als 8 A Rückstrom leiten kann.

Die Notwendigkeit für ein allumfassendes Kommunikationsnetz im Fahrzeug, und speziell zwischen Steuergeräten, die unterschiedlichen Spannungsdomänen angehören, stellt zudem eine mögliche Gefahrenquelle dar. Folglich ist eine galvanische Trennung zwischen den Kommunikationsknoten notwendig. Jedes Ereignis, bei dem sich das 48- mit dem 12-Volt-System verbindet, beispielsweise aufgrund von nicht ausreichend galvanisch getrennten Leitungstransceivern, könnte die Steuergeräte im 12-Volt-Bereich zerstören.

Als Reaktion auf die Forderungen nach einer weiteren Reduktion der Emissionen bis 2021 kündigen OEMs und Tier1 für die nahe Zukunft neue Hybrid-Architekturkonzepte auf Basis zweier Versorgungsspannungen (12-/48-Volt) an. Ein weiteres Beispiel für den Trend zu 48 Volt Spannungsversorgung und den Umgang mit ihr, ist die VDA 320 – eine Empfehlung für elektrische und elektronische Komponenten im Fahrzeug für die Entwicklung eines 48-Volt-Bordnetzes. Sie definiert Anforderungen, Prüfbedingungen und Prüfungen an elektrische, elektronische und mechatronische Komponenten und Systeme für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mit einem 48-Volt-Bordnetz.

Störungen als Gefahr für Batteriemanagement-Systeme

Auch die primären und sekundären Systeme der AC/DC- und DC/DC-Wandler müssen aufgrund der hohen Spannung (über 25 VAC oder 60 VDC) galvanisch entkoppelt sein. Gemäß den Standards FMVSS 305 und ECE-R sollte vor und nach einem Aufprall eine Isolationssperre von mindestens 500 Ω/V zwischen der Batterie und der elektrischen Masse erhalten bleiben. Das ist eine hohe Anforderung, die ohne eine nahezu perfekte galvanische Trennung, wie sie Kupfer-basierte Netzwerke nicht leisten können, nicht zu erreichen ist. Zudem ist das Batteriemanagement-System (BMS) eine sehr rauschintensive Umgebung und die Kommunikation anfällig für Störungen durch geleitete und eingestrahlte HF-Emissionen. Optische Verbindungen haben sich bezüglich EMV am robustesten erwiesen.

48-Volt-Starteffekt: schädlicher Hochleistungsimpuls

Energienetzwerke mit 48 V oder gemischte Topologien mit 12 und 48 V bestimmen aktuell und in naher Zukunft die Antriebsstränge von Elektro (EV)-, Hybrid (HEV)- und Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen (PHEV). Die elektrische Masse, die mit dem Fahrzeugchassis verbunden und bei Hoch- und Niederspannungs-Steuergeräten üblich ist, führt zu Problemen bei Anlaufvorgängen, die in solchen Antriebssträngen ständig stattfinden. So teilt sich beispielsweise das Infotainment-System die elektrische Masse mit den Energieerzeugungs- und Steuerungssystemen. Die hohen Rückströme, die beim Anfahren durch das Chassis fließen, koppeln über die Kabelabschirmung, die mit derselben elektrischen Masse des Fahrzeugs verbunden ist, in das Infotainment-Niederspannungssystem ein. Die Kupferkabelabschirmung bietet einen parallelen Rückweg (alternativ zum Chassis) für die Ströme der verschiedenen ECUs. Dadurch lassen sich bei einer typischen Starthilfe Ströme von mehr als 8 A in der Kabelabschirmung messen. Ist die Kommunikationsverbindung zwischen den Steuergeräten in den Niederspannungssystemen wie Infotainment oder ADAS optisch, isoliert die native galvanische Trennung sie von den Hochspannungs-/Hochenergiesystemen und den damit verbundenen Ereignissen, und gewährleistet so ihre Zuverlässigkeit.

Die Bilder 11 bis 1d zeigen das Chassis eines Autos, das 48 V als Spannungspegel zur Versorgung der verschiedenen elektronischen Einheiten verwendet, die in verschiedenen Bereichen enthalten sind. In diesem Fall sind zwei elektronische Einheiten (ISG/BMS und FRAD) an zwei verschiedenen Stellen des Autos dargestellt. Sie sind durch das Chassis, das einen gewissen parasitären Widerstand (0,5 mΩ) aufweist, elektrisch verbunden. Die Grafiken zeigen auch zwei Head-Units, die dem Infotainment-System im Auto entsprechen. Sie sind ebenfalls über verschiedene Massebäume mit dem Chassis verbunden, und miteinander durch abgeschirmte, verdrillte Kupferkabel.

Optische Netzwerke stellen die EMV sicher

Bei der Plattform-Validierung durch Tier1 und OEMs ist die EMV-Qualifikation einer der wesentlichen Schritte. Für Kommunikationsraten über 100 Mbit/s verlangen Kupferverbindungen nach ausgefeilten und teuren Lösungen, um die strengen EMV-Spezifikationen der OEMs zu erfüllen: qualitativ hochwertige Abschirmung, kontrollierte Paar-Verdrillung, komplexe Inline-Steckverbinder usw. Optische Ports können die elektromagnetische Interferenz (EMI) und Störfestigkeit (EMS) wesentlich einfacher bestehen. Das wirkt sich sowohl direkt auf die Kosten des Bordnetzes und der Steckverbinder als auch auf die Entwicklungsressourcen für die Phasen Design und Fehlersuche positiv aus.

POF-Kabel sind äußerst zuverlässig: Sie widerstehen rauen Umgebungen, Vibrationen, Achsverschiebungen, Schmutz, hoher Luftfeuchtigkeit, weitem Temperaturbereich usw. Die optische Polymerfaser erlaubt schnelles, dynamisches und enges Biegen sowie das Eintauchen in dunkle Flüssigkeiten. Das optische Ethernet erzeugt nur äußerst geringes Rauschen und lässt sich in Rausch-intensiver Umgebung wie etwa in HF-Elektronikboards betreiben. Als Kunststofffaser mit großem Durchmesser ist POF kostengünstig zu fertigen und zu installieren. Das Installieren ist einfaches Plug-and-Play und das Wickeln und Befestigen entspricht etwa dem von Kupferkabeln. Der optische Kabelbaum kann in der Fahrzeugfertigung im selben Prozess wie die Kupferverkabelung eingebaut werden. POF ist seit über zehn Jahren in Millionen Fahrzeugen implementiert.

Gigabit-Ethernet-Transceiver in Fahrzeugen

Das spanische Unternehmen KDPOF bietet einen voll integrierten automotive Tranceiver, der den Physical Layer von Gigabit-Ethernet über POF (GEPOF) implementiert. Die Datenübertragung des KD1053 Bauteils beträgt 1000/100 Mbit/s auf Standard-SI-POF, MC-POF, oder PCS, gemäß 1000BASE-RH (IEEE Std 802.3bv-2017). Seine flexible Konnektivität unterstützt mehrere digitale Host-Schnittstellen: SMI (MDC/MDIO) Schnittstelle für Konfiguration und Überwachung, entsprechend Ziffern 22 und 45, die auch als I2C-Bus und SPI/I2C-Masterschnittstelle zum Lesen von externem Boot und Konfigurieren vom EEPROM-Speicher. Der Transceiver unterstützt auch OAM, Wake-up & Sleep, Unterbrechungsgeneration sowie große Pakete bis 10 KB, PTP und SyncE-Takterzeugung. Er bietet verschiedene Loopback-Modi, PMD-Test-Modi für Diagnostik, Link/Aktivitäten-Überwachung und schnelle LED-Ausgänge. Digitale adaptive nichtlineare Equalizer sind voll integriert. Die Bitfehlerrate (BER) beträgt <10-12 für Betriebsmodi von 1 Gbit/s und 100 Mbit/s. Die Latenz liegt bei 6,2 µs für 1 Gbit/s und 1,4 µs für 100 Mbit/s (lokale RGMII zu Remote-RGMII); und 5 µs RMS-Jitter für 1 Gbit/s und 9 µs für 100 Mbit/s. Die Bindezeit im Betrieb bei 1 Gbit/s beläuft sich auf 55 ms. Interne Stabilitätsfunktionen beinhalten die Stromversorgung, Temperatursensoren und das Überwachen der FOT-Eingangsleistung. Ein weiterer Vorteil ist das erweiterte Strommanagement mit integrierten linearen Spannungsreglern. Zudem benötigt der KD1053 eine niedrige Leistung von 460 mW bei 1 Gbit/s mit serieller Schnittstelle. Er hat geringe Bauteilkosten. KPDOF hat den IC so entwickelt, dass er die strengsten EMV-Spezifikationen der OEMs erfüllt und Automotive AEC-Q100 Klasse 2 entspricht. Er bietet einen Umgebungstemperaturbereich von –40 bis 105 °C und ein 56-Pin-QFN-ROHS-Gehäuse (7 mm x 7 mm). Damit erfüllt er die Anforderungen der Automobilhersteller.

* Óscar Ciordia ist Sales Director bei KDPOF.

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Link: Zu KDPOF

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