Untersuchungen zur Störfestigkeit von 100Base-T1 Kommunikation für autonome Fahrfunktionen gegen puls- und sinusförmige Störsignale

Abstract

In zukünftigen Fahrzeugarchitekturen werden zunehmend elektrifizierte Antriebssysteme und Kommunikationssysteme mit hohen Datenraten für hochautomatisiere Fahrfunktionen implementiert. Dies stellt insbesondere im Hinblick auf die EMV eine Herausforderung dar, weil eine störungsfreie Koexistenz der unterschiedlichen Bordnetzsysteme gewährleistet werden soll. Für die Realisierung von hochautomatisierten Fahrfunktionen, wird eine umfassende Sensorik in die Fahrzeuge integriert, welche die Fahrzeugumgebung mit Hilfe von Daten aus Kamera- und Radarsystemen erfasst. Um die resultierenden Datenmengen beherrschen und entsprechend kommunizieren zu können, reichen herkömmliche fahrzeuginterne Kommunikationssysteme, wie beispielsweise der CAN-Bus, nicht mehr aus. Alternativ stellt eine Automotive Ethernet Kommunikation (100Base-T1) [1] eine leistungsfähige Option dar, mit der Datenraten von bis zu 100 Mbit/s realisiert werden können. Zwecks Kostenoptimierung wird die Kommunikation zwischen den angeschlossenen Teilnehmern, wie bei der klassischen CAN-Bus Kommunikation, über eine verdrillte und ungeschirmte Zweidrahtleitung (Unshielded Twisted Pair - UTP) realisiert. Dabei muss sichergestellt werden, dass die im Fahrzeug eingesetzten Hochvolt- Systeme (HV-Systeme) die Kommunikation nicht unzulässig beeinflussen. Hierzu muss die Störfestigkeit der Kommunikationsstrecke umfassend untersucht werden, damit im Rahmen der Standardisierung Testverfahren und Prüfpegel festgelegt werden können, die eine sichere Koexistenz der verschiedenen Systeme im Fahrzeug gewährleisten. Innerhalb eines Elektrofahrzeugs, welches im PKW-Bereich bei Spannungen von bis zu 950 V [2] betrieben wird, kommt es zu breitbandigen Störaussendungen, die etwa um einen 35 dB höher sind als im klassischen 12 V Bordnetz. Durch die Verdrillung der ungeschirmten Kommunikationsleitung, wird unter idealen Bedingungen der in die Leitung induktiv eingekoppelte differentielle Störpegel kompensiert. Das Schalten der Zwischenkreisspannung durch den Inverter im Hochvoltsystem führt jedoch dazu, dass steilflankige Spannungspulse erzeugt werden, die kapazitiv in die Kommunikationsleitung einkoppeln können und durch die Verdrillung nicht kompensiert werden können. In dieser Arbeit wird die Störfestigkeit einer 100Base-T1 Kommunikationstrecke hinsichtlich beispielhafter kapazitiven und induktiven Kopplungen untersucht. Messungen in [4] haben gezeigt, dass sich durch Schalthandlungen in HV-Komponenten auf der Systemschirmung Impulse ausbreiten, weshalb hier eine kapazitive Koppelzange (Capacitive Coupling Clamp, CCC) verwendet wird. Mit dem CCC Verfahren nach ISO 7637-3 [3] werden Pulse kapazitiv auf die ungeschirmte Kommunikationsleitung eingekoppelt, um den Störer der HV-Seite nachzubilden. Neben pulsförmigen Störern, können auch sinusförmige Störer auftreten, die etwa durch On-board Transmitter hervorgerufen werden. Zur Untersuchung der Störfestigkeit gegen schmalbandige, induktiv eingekoppelte Störgrößen wird in dieser Arbeit das Bulk Current Injection (BCI) Verfahren eingesetzt, um Schwachstellen der Kommunikationsstrecke zu identifizieren.