Verbindungstechnik im Automobil EMV in vernetzten und elektrifizierten Fahrzeugen

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Künftige automobile Anwendungen bedingen Hochvolt-Leitungen. Die entwicklungsbegleitende Optimierung des EMV-Verhaltens spielt daher auch für die Anschlusssysteme eine wichtige Rolle. Ein Überblick.

Moderne Fahrzeuge gehören zu den komplexesten vernetzten elektronischen Systemen, die es gibt. Die Zahl der elektronischen Steuergeräte (Elec­tronic Control Units, ECU) steigt kontinuierlich. Mittlerweile liegt sie je nach Fahrzeugklasse zwischen 70 bis 100 ECU pro Fahrzeug. Entsprechend komplex ist die physikalische Vernetzung dieser Geräte untereinander bzw. mit der jeweils übergeordneten Kontroll­ebene. Denn Interferenzen – beispielsweise zwischen Infotainment-System und CAN-Bus – können die Sicherheit von Fahrern und Umwelt gefährden.

Das Datenvolumen, das durch die immer höhere Vernetzung generiert wird, liegt bei knapp vier Terabyte pro Acht-Stunden-Fahrt – die Tendenz steigend.

Ein Grund dafür sind beispielsweise eine immer größere Zahl von Fahrerassistenzsystemen (englisch Advanced Driver Assistance Systems, ADAS). Schon mit der Einführung von Fahrzeugen des Levels 2 bis 3 nimmt der Anteil von Sonderleitungen für hohe Bandbreiten deutlich zu. Auch die unterschiedlichen Systeme wie LiDAR, Radar und Kameras sammeln kontinuierlich Daten, um eine autonome Fahrt überhaupt erst zu ermöglichen.

Ohne diese integrierten Sensoren erkennt das Fahrzeug seine Umgebung nicht – automatisiertes und autonomes Fahren (Auto­mated Driving / Autonomous Driving, AD) wäre somit nicht möglich. Zusätzlich zu den immer umfangreicheren und schnelleren Datenströmen im Fahrzeug kommen noch Daten aus dem Fahrzeugumfeld, die über die Luftschnittstelle (4G/LTE, 5G; DSRC; C-ITS) übertragen werden, hinzu.

Dazu gehört auch der Zugang zur Cloud und zu Internet-basierten Diensten, wie das Streamen von Inhalten, aber auch Software-Updates für eine Vielzahl von Systemen bis hin zu Technologien, die Müdigkeit beim Fahrer erkennen und automatisch Gegenmaßnahmen ergreifen. Die Vehicle-2-X-Kommunikation (V2X), die Informationen mit anderen Fahrzeugen, Diensten wie Parkleitsystemen oder Stauzentralen austauscht, steigert das Datenvolumen weiter.

Damit steigen die Herausforderungen für die Integration von Antennensystemen in das Fahrzeug. Ein weiterer Aspekt ergibt sich durch eine komplexe, diversifizierte und heterogene Halbleiterlandschaft. Moderne und leistungsstarke SoC-Systeme (System on Chip) sind für millionenfache Paralleloperationen ausgelegt und in der Lage, wesentliche und sicherheitsrelevante Informationen in einem Bauteil zu verarbeiten.

Neue Möglichkeiten für den Aufbau der E/E-Architektur des Fahrzeugs

Fahrzeughersteller erhalten sich damit völlig neue Möglichkeiten beim Aufbau der E/E Architektur. Der Grund: Die physische (Leitungsseite) und signalverarbeitende Ebene (MII – Media Independent Interface) müssen nicht mehr in die Domänen Netzwerk, Infotainment und Safety getrennt werden.

Moderne SoCs machen autonome Fahrzeuge deutlich intelligenter. Für einen Steckverbinder-Hersteller ergeben sich dadurch allerdings auch völlig neue Fragestellungen im Hinblick auf die Signalverarbeitung.

Hinsichtlich Lösungen für die physikalische Schicht (PHY) hat sich der relevante Markt für Automotive dabei längst an Consumer Standards orientiert und benötigt detaillierte Highspeed Kenntnisse für sämtliche Designs. Der gesamte Halbleitermarkt ist dabei hinsichtlich der Spezifikation zur Implementierung von Leitungssätzen entscheidend für das Bordnetz der Zukunft.

Dabei rechnet man bei komplexen Modulen wie zentralen ADAS-Clustern aktuell schon mit bis zu 150 GBit/s verteilt auf bis zu 30 Ports. Bei den Chip-to-Chip Verbindungen im Gerät wird heute auf Protokolle wie PCIe gesetzt. Dabei ist naheliegend, dass es für zukünftige komplexe Algorithmen auf ultraschnelle Datennetze ankommen wird.

Die EMV und ihre Bedeutung im modernen Fahrzeug

Zu den oben genannten Faktoren gesellt sich mit der Elektrifizierung des Antriebsstrangs eine weitere Herausforderung hinzu: Während das steigende Datenvolumen mit immer höheren Übertragungsfrequenzen bei niedrigen elektrischen Spannungen ein schnelles, aber störsicheres Netz verlangt, erzeugen die hohen Ströme und Spannungen eines elektrischen Antriebs Störfelder, die eine zusätzliche Einflussgröße für den Datentransport darstellen können.

Damit also eine Hochvolt-Antriebselektronik mit schnellen Datenleitungen koexistieren kann, muss die HV-Applikation über die gleichen Spezifikationen verfügen.

Alle EMV-relevanten Komponenten und Geräte im Fahrzeug müssen die gültigen Normen erfüllen, um koexistieren zu können. Dazu gehören Spezifikationen für die Störaussendung wie auch die Störfestigkeit. Während EMV schon seit einiger Zeit im Vorhinein in ein Produkt entwickelt werden muss, kommt den Kanalspezifikationen (auch aus Normungsgremien) immer mehr Bedeutung zu.

Mit dem Stellenwert von Daten im Fahrzeug steigen auch die Anforderungen an Übertragungen: Diese müssen zuverlässig, robust und schnell sein. Damit rückt die EMV in den Mittelpunkt der Entwicklung.

Die EMV-Eigenschaften von koaxialen Leitungen

Koaxiale Leitungen werden im Fahrzeug aufgrund ihres minimalen Bauraums und einfacher Handhabung in der Kabelverar­beitung gegenüber differentiellen Übertragungssystemen favorisiert. Anfänglich für analoge Radio- und Antennensysteme entwickelt, dienen sie mittlerweile für digitale Punkt-zu-Punkt Verbindungen (High-Speed Verbindungen) im Bereich Infotainment ebenso wie für sicherheitsrelevante Funktionen, etwa die Anbindung an ADAS-Kameras.

Für solche schnellen ADAS-Sensoren werden koaxiale Lösungen wie das miniaturisierte Koax-System MATE-AX favorisiert. Grund dafür ist die Bandbreite für die Übertragung von Rohdaten. Über die kanalbasierte Analyse ließ sich die Kompatibilität für Datenraten unter zehn Gbit/s zeigen und eine Reserve zur Abschätzung schnellerer Systeme bestimmen. Die zunehmende Bedeutung solcher digitalen Übertragungssysteme erfordern zusätzliche Prüfparameter.

EMV: Koppelmechanismen und Prüfbereiche

Zur Bewertung der EMV, einer Komponente oder der Übertragungsstrecke lassen sich den vier verschiedenen Kopplungsmechanismen unterschiedliche Prüfbereiche zuordnen. Der mittlere Zweig (Bild 1) betrifft passive Komponenten und wird vom Steckverbinder-Hersteller bereits im Zuge der Komponentenentwicklung berücksichtigt. Er spielt insbesondere bei Multiport-Anwendungen eine tragende Rolle.

Für den rechten Zweig der gestrahlten Kupplung kann mithilfe der Triaxial Methode die Schirmdämmung gemessen und eine Abschätzung bezüglich der EMV-Leistung getroffen werden. Damit lässt sich die sehr aufwändige EMV-Messung auf ECU Ebene vorbereiten. Potenzielle Schwachstellen im Verkabelungssystem werden so direkt eliminiert.

Zusammenarbeit der Hersteller von Steckverbindern und Halbleitern

Der rechte Zweig lässt sich hierbei vom Steckverbinder-Hersteller nur in Zusammenarbeit mit dem Halbleiterhersteller entwicklungsbegleitend abarbeiten, da hier auch die Elektronik (ECU/IC) im Verbau geprüft werden muss, um die Funktion im Fahrzeug zu gewährleisten.

Dazu dient die Emissionsmessung nach CISPR25 und die Immunitätsprüfung nach ISO 11452-2,4.In Kombination ist für jede Strecke die Eigenschaft aller beteiligten Komponenten sowie der Gesamtstrecke als EMV-Quelle und -Senke zu prüfen.

Die Korrelation zwischen EMV-Grenzwerten und einer Sicherstellung der Funktion im Auto gilt als optimal, wenn in Tests nach CISPR25 / ISO 11452 auf ECU-Level die Komponentenlimits eingehalten werden. Zur Erfüllung der ECU-Leveltests gelten wiederum Schirm- bzw. Kopplungsdämpfungsmessungen als Basis für eine Abschätzung des EMV Budgets.

Damit die EMV-Grenzwerte eingehalten werden, ist neben dem korrekt konstruierten Steckverbinder der Einsatz einer leistungsfähigen Koax-Leitung erforderlich. Ein typischer Einsatzzweck macht das deutlich: Ist beispielsweise eine ADAS-Kamera im Seitenspiegel verbaut und würden die Rohsignale über eine Koax-Leitung nur mit Geflechtschirm übertragen, kann der Abklappwinkel des Spiegels die Geometrie des Geflechtschirms durch Torsion beeinflussen und damit die Abstrahlung noch verstärken.

EMV in künftigen automobilen Anwendungen

Zukünftige automobile Anwendungen und der richtungsweisende Wechsel hin zu serviceorientierten Architekturen führen zu steigenden Anforderungen an Bordnetzkomponenten hinsichtlich Modularität, Skalierbarkeit und Bandbreite.

Neben immer höheren Übertragungsfrequenzen und größeren Datenvolumen stellen auch Hochvoltleitungen eine Herausforderung dar, weil alle diese Elemente der physikalischen Schicht störungsfrei und zuverlässig im Fahrzeug koexistieren müssen. Die entwicklungsbegleitende Optimierung des EMV-Verhaltens spielt daher auch für Anschlusssysteme wichtige Rolle.

* Jens Wülfing ist Field Application Engineer, Data conn, bei TE Connectivity Germany in Bensheim.

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