Optisches Bordnetz verhindert die Rauschausbreitung im E-Auto

Das Steuern aller am elektrischen Antriebsstrang beteiligten Teilsysteme erfordert einen Kommunikationsbus, der die Steuer-, Aktivierungs- und Sensorsignale zwischen den verschiedenen Komponenten überträgt. Der Kommunikationsbus muss immun gegen elektromagnetisches Rauschen sein. Gleichzeitig muss er den Anforderungen an die Mechanik, Temperatur, Zuverlässigkeit und das Gewicht des Gesamtfahrzeugs entsprechen. Am besten erfüllt eine Optik-basierte Kommunikationstechnologie diese Voraussetzungen. 1000-BASE-RH ist die Ethernet-Spezifikation für das Gigabit-fähige Kommunikationsprotokoll, das auf optischer Polymerfaser (Plastic Optical Fiber, POF) basiert. Das Protokoll eignet sich gut für die neuen Architekturen, da es inhärent elektromagnetisch verträglich (EMV) ist.

Rein elektrische und Hybrid-Antriebsstränge profitieren von der natürlichen galvanischen Trennung zwischen den kommunizierenden Modulen und dem strahlungsfreien Kabelbaum. Mit ihrer Performance in elektromagnetischer Interferenz (EMI) und Störanfälligkeit (EMS) eignen sich die optischen Ethernet-Verbindungen auch für die Kommunikation zwischen den 48- und 12-Volt-Bereichen. Sie bieten Ethernet-kompatible Lösungen mit aktuell 100 Mbit/s und 1 Gbit/s bis zukünftig Multi-Gigabit mit genügend Toleranz, um in der rauen Automotive-Umgebung zu bestehen. Mit seiner inhärenten galvanischen Trennung und mechanischen Robustheit passt das optische Ethernet daher gut für die aktuelle und zukünftige Netzwerkinfrastruktur im Fahrzeug.

Rausch-Ausbreitung

Bild 1: Die optische Verbindung unterdrückt das elektrische Rauschen, das die Steuergeräte in Elektro- und Hybridfahrzeugen erzeugen. KDPOF

Die Antriebsstränge von Hybridelektro- und Elektro-Fahrzeugen benötigen mehrere, im Auto verteilte Elektronikeinheiten. Diese Steuergeräte regeln und kontrollieren den Fluss der elektrischen Energie zwischen den Batterien, Wandlern, Motoren und Generatoren. Der Energiefluss und die Wandlung erzeugen dabei ein elektrisches Rauschen, das sich störend auf Bereiche des Fahrzeugs wie das Infotainment- oder Navigationssystem und zukünftig die autonomen Steuersysteme auswirkt. Ein optisches Verbinden der Steuergeräte dagegen isoliert sämtliches Rauschen innerhalb des Steuergerätes und verhindert zudem das Ausbreiten zu allen anderen, im Fahrzeug verteilten Steuergeräten. Ein Kupfer-basiertes Netzwerk erreicht eine ähnliche Trennung nur mit mehr Aufwand und hohen Kosten. Es würde einen längeren Entwicklungszyklus und ein teureres und komplexeres Steuergerät bedeuten, das weniger zuverlässig ist (Bild 1).

Die Hauptquelle für das elektrische Rauschen ist das kontinuierliche Schalten der im Leistungselektronik-Subsystem integrierten IGBTs und MOSFETs. Der Wechselstrom-Umrichter erzeugt aus der Batteriespannung, die den Elektromotor antreibt, eine Wechselstrom-Wellenform oder korrigiert alternativ den Strom vom Motor, um ihn in der Batterie zu speichern. Das Wechselstrom-Umrichter-Board generiert üblicherweise Wechselstrom-Wellenformen in der Größenordnung von 8 bis 10 kHz. Der bidirektionale DC/DC-Wandler verstärkt die Spannung des Akkupakets zu der im Hochvoltbus eingestellten Spannung und erzeugt Oberwellen im 50-kHz-Band. Eine weitere Quelle der hochfrequenten Wechselstrom-Restwelligkeit auf dem Gleichspannungs-Zwischenkreis stellt der Motor selbst dar. Die Elektromaschine produziert ungerade Oberschwingungen aus der nicht sinusförmigen Gegen-EMK-Wellenform.

Batteriemanagement-System

Bild 2: Batteriepakete sind in Serien von elektrisch separierten Clustern zusammengefasst. KDPOF

Die Batterien in elektrischen Antriebssträngen bestehen aus physischen Clustern von Akkuzellen, die in Einheiten zu Paketen zusammengefasst sind. Jedes Zellpaket kommuniziert mit einem Steuermodul, das Kontrollinformationen abwechselnd zum Batteriemanagement-System (BMS) sendet und von ihm empfängt. In Serienschaltung verbindet ein Schalter die Zellkette und ist bei normalem Betrieb geschlossen. In Notfallsituationen öffnet der Schalter und an den Terminals verschwindet die Spannung der Stacks. Um die Trennung des offenen Schalters nicht zu beinträchtigen, darf keine alternative elektronische Verbindung die Schalterterminals überbrücken. Ist der Schalter in offener Position, sollten folglich die obere und untere Hälfte des Stapels elektrisch voneinander getrennt sein. Allerdings kann es passieren, dass der erforderliche Kommunikationsbus einen ungewünschten parallelen Weg zum Schalter zwischen den einzelnen Zellpaketen und dem Steuermodul erzeugt. Daher ist es notwendig, dass sich zwischen jedem Paket und dem Steuermodul eine Isolationsbarriere befindet, das heißt der Kommunikationsbus sollte eine galvanische Trennung bieten. Automobilelektronik-Entwickler stehen dabei vor der Herausforderung, ein BMS zu implementieren, das eine Kombination aus sicherem Betrieb, langer Batterielebensdauer und der Trennung der Niedrig- und Hochvolt-Bereiche bietet, und das, ohne zahllose Komponenten in einem komplexen Schaltungsdesign zu benötigen (Bild 2).

Bild 3: Funktionsweise der galvanischen Trennung im Elektroauto. KDPOF

Auch die primären und sekundären Systeme der AC/DC- und DC/DC-Wandler müssen aufgrund der gefährlich hohen Spannung (über 25 V Wechselspannung oder 60 V Gleichspannung) 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 sehr gute galvanische Trennung, wie sie Kupfer-basierte Netzwerke nicht leisten können, nicht zu erreichen ist. Zudem ist das BMS eine sehr rauschintensive Umgebung und die Kommunikation anfällig für Störungen durch geleitete und eingestrahlte HF-Emissionen. Auch hier haben sich optische Verbindungen bezüglich EMV am robustesten erwiesen (Bild 3).

Fehlerschutz in 48-/12-V-Systemen

In HEVs und PHEVs (Plug-in-HEVs) der nächsten Generation werden gemischte 48-/12-V-Energie-Systeme Standard sein. Dabei sind 48 V für hungrige Elektrik-Module wie Anlasser, Lichtmaschine oder Batteriemodule reserviert, während 12 V den feineren Elektronikmodulen wie Infotainment- oder ADAS-Verarbeitungseinheiten vorbehalten sind. Beide Bereiche teilen sich dasselbe Massesystem: die Autokarosserie. Die Elektronikkomponenten im Steuergerät des 48-V-Bereichs entsprechen dem Spannungsbereich und sind üblicherweise für über 70 V ausgelegt. Im 12-V-Bereich funktionieren sie typischerweise bis zu 60 V. Kommt es zu einem Ereignisfall wie etwa dem Ausfall der Erdung in einem 48-V-Steuergerät und sind die Verbindungen zwischen den 48- und 12-V-Bereichen ohne galvanische Trennung, entsteht eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Bereichen. Dabei sind die 12-V-Steuergeräte und ihre Komponenten höheren Spannungen ausgesetzt, als sie zertifiziert sind. Die Folgen sind Ausfälle und eine verkürzte Lebensdauer. Da optische Netzwerke die galvanische Trennung natürlich mitbringen, sind damit keine weiteren Schutzmechanismen nötig, um solche Ereignisse zu vermeiden oder die 12-V-Steuergeräte für mögliche Ereignisse bei 40 V oder höher auszurichten (Bild 4).

48-Volt-Starteffekt: Schädlicher Hochleistungsimpuls

Bild 4: Fehlerschutz in 48-/12-Volt-Systemen durch inhärente galvanische Trennung der optischen Verbindungen. KDPOF

Starteffekte sind ein Thema in Energienetzen mit 48 V oder gemischten Topologien mit 12 und 48 V. 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 Grafiken zeigen das Chassis eines Autos, das 48 V als Spannungspegel zur Versorgung der verschiedenen elektronischen Einheiten verwendet, die in verschiedenen Bereichen enthalten sind (Bild 5). 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 und miteinander durch abgeschirmte, verdrillte Kupferkabel verbunden.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Bild 5: a) 800 bis 900 A Strom zirkulieren beim Starten entlang des Chassis. b) Der Spitzenstrom entwickelt ein 400-V-Chassis-Potenzial, das in die STP-Datenverbindung einkoppelt. c) Der induzierte Puls entwickelt einen Strom von 8 A über die STP-Abschirmung. d) Die Head Unit ist beschädigt. KDPOF

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 etc. 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.

Optisches Bordnetz

POF-Kabel sind zuverlässig: Sie widerstehen rauen Umgebungen, Vibrationen, Achsverschiebungen, Schmutz, hoher Luftfeuchtigkeit, weitem Temperaturbereich etc. 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 lässt sich in der Fahrzeugfertigung im selben Prozess wie die Kupferverkabelung einbauen. POF ist seit über zehn Jahren in Millionen Fahrzeugen implementiert.

(aok)

(aok)