EMV im Kfz FlexRay-Netzwerke vor einem Ausfall schützen

Die elektromagnetische Verträglichkeit ist ein Schlüsselgebiet, wenn Bussysteme entwickelt und geprüft werden müssen. Dabei dreht sich mit steigender Anzahl der Steuergeräte und Funkdienste alles um die Frage: Wie können alle Geräte trotz stärkster Hochfrequenzeinstrahlung zuverlässig miteinander arbeiten?

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Ein EMV-gerechtes Design in Fahrzeug und Steuergerät gilt salopp formuliert als der Voodoo-Zauber der Automobilelektronik. Die Funktion der Elektronik kann über Leben und Tod entscheiden, bei Drive–by-Wire in der Motorsteuerung, bei ABS und ESP in heiklen Fahrsituationen und im Ernstfall bei Gurtstraffern und Airbag. Die volle Funktion muss auch bei EMV-Einstrahlung, also bei einwirkender leistungsstarker Hochfrequenzstrahlung, erfüllt sein.

Umgekehrt arbeiten in Oberklassefahrzeugen über 100 Steuergeräte mit einem Stromverbrauch von mehr als 1 kW, die weder bei eingebauten Funkuhrempfängern, noch bei UKW-Radios oder gar beim Handyempfang unangenehme Störungen verursachen dürfen.

Es kann Steuergeräteentwicklern nicht erspart werden, das EMV-Design entsprechend zu gestalten und zu optimieren, was gelegentlich mit unerwartetem Zusatzaufwand und Redesigns verbunden ist. Aber zumindest die Hilfsmittel dazu sollten das Arbeiten erleichtern und nicht zusätzliche Hürden schaffen.

15 Jahre altes Auto erfüllt aktuelle EMV-Richtlinien nicht

Die im Laufe der Jahre stetig gestiegenen EMV-Anforderungen lassen sich mit einem einfachen Beispiel darstellen: 1992 wurde das allererste GSM-Netz errichtet, damals im 900-MHz-Band. Später kamen höhere Frequenzen von 1800/1900 MHz und weitere mobile Geräte wie Bluetooth hinzu. Ein heute 15 Jahre altes Mittelklasseauto wurde zu einem Zeitpunkt entwickelt, als es alle diese Einrichtungen noch gar nicht gab. Dennoch sind viele dieser Fahrzeuge heute problemlos mit mehr als einem Dutzend Steuergeräten an Bord im Einsatz, auch wenn Handys im Fahrgastraum betrieben werden.

Seit damals fand auch eine starke Ausweitung der stationären Funkdienste statt, im Frequenzbereich oberhalb von 2 GHz etwa starke Radarsender auf Flughäfen. Im Jahr 1994, dem Produktionsjahr dieses Autos, war die höchste Prüffrequenz bei Einstrahlmessungen gerade einmal 400 MHz.

Welche Konsequenzen ergeben sich aus dieser Betrachtung? Es ist nahezu unvorhersagbar, welcher EMV-Einkopplung das Auto ausgesetzt sein wird, welche starken Funkdienste künftig während der Lebensdauer des Fahrzeugs geschaffen oder auch im Auto verwendet werden.

Höhere Einstrahllimits als notwendig

Unter gar keinen Umständen darf es Ausfälle geben, die zu Personenschäden führen. Deswegen gelten für alle Teile des Antriebsstrangs, der Lenkung, der Airbags und dergleichen noch höhere EMV-Anforderungen als für den Rest des Fahrzeugs. Nun stellt sich die Frage, wie sind die richtigen Limits festzulegen? Normen helfen nur teilweise weiter.

Immerhin geht es da um Vorhersagen für die heute noch nicht einmal angedachten Funkdienste der nächsten 20 Jahre. Aus dieser Unsicherheit heraus fordern Autohersteller Einstrahllimits mit immer höherer Feldstärke. Diese sind heute mit bis zu 200 V/m bereits fünffach höher, als einem Menschen zugemutet werden darf. Das Ausweiten der Limits gilt auch für den geforderten Frequenzbereich. Noch im Jahr 2000 wurde lediglich bis zu 1 GHz geprüft, heute sind die Anforderungen auf 3 GHz und mehr gestiegen.

Galt es früher lediglich die Zündanlage zu entstören, damit das Autoradio mit UKW-Mono-Empfang zufriedenstellend funktionierte, hat sich auch hier das Bild gewandelt. Nicht nur Handy, Bluetooth, Betriebsfunk und Funkdienste für Behördenfahrzeuge kamen hinzu. Mittlerweile ist die Autoantenne an das andere Ende des Fahrzeugs in die Heckscheibe gewandert. Dort, wo die dritte Heckleuchte mit serieller Datenkommunikation und gepulsten LEDs im wahrsten Sinne des Worts hineinfunkt.

Effiziente EMV-Prüfung für FlexRay-Systeme

Bei Fahrzeugen mit 50 und mehr Steuergeräten ist klar, dass eine Abnahmeprüfung am Komplettfahrzeug am Ende des Entwicklungszyklus nicht reicht. Bereits an ersten B-Muster-Steuergeräten muss eine Komponentenprüfung mit teilweise noch höheren Limits als im Fahrzeug erfolgen. Bei diesen Messungen befindet sich das zu testende Gerät mit Beschaltung im abgeschirmten Messraum.

CAN-Schnittstellen zu anderen Geräten, mit denen der Prüfling betriebsmäßig kommunizieren muss, werden durch CAN-Umsetzer betrieben, welche die elektrische Verbindung auftrennen und die Signalübertragung mit Lichtleitern durch die Kabinenwand hindurch ermöglichen. Diese Art der Signalübertragung verhindert jegliche Hochfrequenzübertragung in die Messhalle hinein oder aus der Halle heraus. Diese CAN-Umsetzer müssen noch höhere Pegel aushalten als die Prüflinge, sei es gestrahlt oder leitungsgekoppelt. So besteht bei CAN-Ausfall die Sicherheit, dass das geprüfte Gerät unzureichend ist und nicht das Laborequipment versagt hat.

Das Gleiche gilt bei der Abstrahlung. Der Umsetzer darf nur Störungen in der Größenordnung des Hallenrauschens oder darunter produzieren. Da sich die Störabstrahlungen aller Steuergeräte im Fahrzeug summieren, sind auch die erlaubten Abstrahlpegel für ein einzelnes Steuergerät extrem niedrig. Aus diesem Grund sind die Umsetzer batteriebetrieben, um keine Störspannung durch die Stromversorgung zu erhalten oder über die Stromzuleitung selbst abzustrahlen.

Bitverzerrung soll unter 10 ns liegen

Trotz dieser doppelten optischen Umsetzung und EMV-Einstrahlung darf die Bitlänge der CAN-Übertragung nicht mehr als 10% einer Bitzeit verändert werden, bei 500 KBit/s sind das maximal 200 ns.

Ein entsprechendes Testverfahren für FlexRay-Systeme war bisher nicht erhältlich. TTTech Automotive, eine auf die Entwicklung von FlexRay-Lösungen spezialisierte Tochter von TTTech, hat hierfür den TTX-Optical Link entwickelt. Die Aufgabenstellung war: gleiche Anforderungen und gleiche Lichtleiter wie bei CAN-Übertragung und gleiche prozentuelle Anforderungen an Bitlängenbeeinflussung.

Die Übertragungsfrequenz ist bei FlexRay ungleich höher: bei 10 MBit/s sind 10% einer Bitzeit gerade einmal 10 ns. Für einen doppelten Umsetzer ist eine Bitverzerrung von <10 ns auch ohne EMV eine sehr hohe Anforderung.

Das Abstrahllimit unwesentlich über dem Empfängerrauschen lässt sich nur durch mehrschalige Schirmung erreichen. Der dadurch etwas größere Bauraum erlaubt auch den Einbau eines größeren Akkus, der 24 Stunden Dauerbetrieb gewährleistet, mit integriertem Tiefentladeschutz und Schnellladegerät.

Zeitverhalten minimal betroffen

TTX-Optical Link ist bereits seit 2007 bei den ersten Kunden aus der Automobilindustrie im Einsatz. Unter anderem bei Fahrzeug- und Steuergeräteherstellern in Europa, Asien und Australien. Das Gerät ermöglicht die bidirektionale optische Übertragung von FlexRay-Signalen bei minimalen Auswirkungen auf das Zeitverhalten der Daten in den FlexRay-Signalen. Kurzum: ein neues Hochleistungssystem zur EMV-Prüfung von FlexRay-Netzwerken. Dabei dient TTX-Optical Link zur elektrischen Entkoppelung der FlexRay-Bussignale für die EMV-Prüfung.

Das Gerät überträgt FlexRay-Signale mit Glasfaserkabel. Daher ermöglicht das Gerät den ungehinderten Zugriff auf die FlexRay-Signale mit den gängigen Analysewerkzeugen.

Die hohe Robustheit gegenüber EMV-Einstrahlung bietet ausreichend Reserven für die Anforderungen der Zukunft: 400 V/m bis 1 GHz, 600 V/m mit Radarpulsen bei Frequenzen von 2,7 bis 4 GHz.

*Wolfgang Dittrich ist Steuergeräteentwickler mit Schwerpunkt EMV-gerechtes Design und seit 2001 Senior Hardware Engineer bei TTTech Automotive in Wien.

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