EMV, Elektromagnetische Verträglichkeit, oder Elektromagnetische Interferenz, kurz EMI (Electromagnetic Interference), bezeichnet die Beeinflussung eines elektrischen oder elektronischen Systems durch elektromagnetische Störungen.
Im Fahrzeug kann EMI beispielsweise zu Kommunikationsfehlern, Fehlinterpretationen von Sensorsignalen, Audio-Störungen, Störungen bei elektrischen Antrieben oder im ungünstigsten Fall zu sicherheitsrelevanten Fehlfunktionen führen.
Die Beherrschung elektromagnetischer Verträglichkeit, kurz EMV, ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung, Prüfung und Absicherung moderner Fahrzeuge.
Das automobile Bordnetz bildet heute ein komplexes elektrisches und elektronisches System. Neben der klassischen Energieversorgung von Beleuchtung, Antrieb und Komfortfunktionen umfasst es zahlreiche Steuergeräte, Sensoren, Kommunikationsbusse, Leistungselektronik und zunehmend auch Hochvoltkomponenten.
Kommunikationssysteme arbeiten mit schnellen Schaltvorgängen, kleinen Signalpegeln und hohen Datenraten. Dadurch steigt die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen.
Elektrische Antriebssysteme nutzen relativ hohe Spannungen und Ströme, kombiniert mit schnellen Schaltvorgängen.
Diese Kombination führt zu neuen Herausforderungen in der Elektrotechnik und Elektrik im Fahrzeug.
Aufbau und Besonderheiten des automobilen Bordnetzes
Das Bordnetz lässt sich grundsätzlich in mehrere elektrische Ebenen unterteilen:
- Niedervoltbereich, typischerweise 12 V oder 24 V
- Hochvoltbereich, beispielsweise 400 V oder 800 V bei Elektro- und Hybridfahrzeugen
- Signal- und Kommunikationsnetze, etwa CAN, LIN, FlexRay und Automotive Ethernet
- Hochfrequente Funksysteme, beispielsweise für WLAN, Bluetooth, Mobilfunk, Radar oder schlüssellose Zugangssysteme
Ein Fahrzeug besitzt dabei kein idealisiertes Massepotential. Karosserie, Kabelbäume, Steckverbinder, Abschirmungen und Masseverbindungen weisen stets endliche Widerstände und Induktivitäten auf. Bei schnellen Stromänderungen entstehen dadurch Spannungsabfälle und Potenzialunterschiede. Diese können als Störquelle oder als Kopplungspfad wirken.
Entstehung elektromagnetischer Störungen
Elektromagnetische Störungen entstehen immer dann, wenn zeitlich veränderliche magnetische Größen auftreten. Ein zentraler Zusammenhang ist:
Eine Änderung eines magnetischen Feldes erzeugt in einer Leitungsschleife eine Spannung. Das Magnetfeld entsteht durch eine andere Leiterschleife. Die Funktionsweise entspricht der eines Transformators, wobei N die Anzahl der Leiterschleifen bezeichnet.
Ebenso erzeugt eine schnelle Spannungsänderung über eine Kapazität einen Störstrom:
Mit steigender Schaltgeschwindigkeit nehmen daher induktiv und kapazitiv eingekoppelte Störströme und Spannungen zu.
Diese Faktoren entstehen bei schnellen Datenverbindungen und pulsbreitenmodulierte Wechselrichter für elektrische Antriebsmotoren und erhöhen so die Anforderungen an das Bordnetz.
Arten der elektromagnetischen Kopplung
Störungen gelangen nicht zufällig in ein System. Sie werden über bestimmte Kopplungsmechanismen übertragen. In der Praxis treten meist mehrere Mechanismen gleichzeitig auf und erschweren so die Ursachenfindung.
Galvanische Kopplung
Bei der galvanischen Kopplung teilen sich zwei Schaltungen einen elektrischen Leitungsweg. Dazu zählen beispielsweise:
z.B. gemeinsame Masseleitung
Kapazitive Kopplung
Kapazitive Kopplung entsteht durch elektrische Felder zwischen Leitungen. Zwei benachbarte Leiter bilden dabei eine parasitäre Kapazität. Ändert sich die Spannung auf der Störleitung schnell, fließt ein Störstrom in die benachbarte Leitung.
z.B. ungeschirmte Signalleitungen
Induktive Kopplung
Induktive Kopplung wird durch veränderliche Magnetfelder verursacht. Sie tritt insbesondere bei hohen Stromänderungen und großen Stromschleifen auf.
Elektrifizierte Fahrzeuge stellen zusätzliche Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit. Hochvolt-Batterien, Wechselrichter, Elektromaschinen, Ladegeräte und DC/DC-Wandler erzeugen durch hohe Spannungen und schnelle Stromänderungen große magnetische Störfelder.
z.B. Motorzuleitungen
Strahlungsgekoppelte Störungen
Bei höheren Frequenzen können Leitungen und Gehäuse als Antennen wirken. Die Störung wird dann über ein elektromagnetisches Feld übertragen, ohne dass eine direkte elektrische Verbindung erforderlich ist.
z.B. bei Handynutzung im Fahrzeug
Elektrostatische Störungen
Elektrostatische Entladung (ESD) kann Halbleiterbauteile bei der Handhabung zerstören. Elektrostatische Aufladung entsteht durch Reibung oder durch Trennen verschiedener Materialien. Elektrostatische Entladung wird über den Leitungssatz bis in die elektronischen Schaltungen geleitet und kann so Halbleiter zerstören.
z.B. Reibung von Kleidung an Sitzbezügen
Maßnahmen zur Reduzierung von EMI
Die wirksamste EMV-Strategie setzt möglichst früh an. Nachträgliche Filter oder Abschirmungen können zwar helfen, sind aber oft kostspielig und belasten den Entwicklungsprozess.
Strom und Spannung sowie deren Zeitverhalten lassen sich nicht voneinander trennen. Deshalb ist es nicht, leicht die relevante Ursache für Störungen zu finden und geeignete Maßnahmen zu finden.
Der Kabelbaum ist ein wesentlicher Bestandteil des EMV-Systems.
Umfassendes Fachwissen und ein gewisser Anteil von Erfahrung helfen bei der Auslegung des Bordnetzes mit einer möglichst hohen Resistenz gegen elektromagnetische Störungen.
CAN- und andere Bussysteme wie z. B. Ethernet erreichen durch eine differentielle Datenübertragung eine vergleichsweise robuste Datenübertragung.
Elektromagnetische Interferenz im automobilen Bordnetz ist eine Systemaufgabe. Störungen entstehen nicht ausschließlich in einzelnen Steuergeräten, sondern durch das Zusammenspiel von Leistungselektronik, Kabelbaum, Massekonzept, Gehäusen, Steckverbindern, Kommunikationsnetzen und Fahrzeugkarosserie.
Ein gewisses Fachwissen durch ein Fachseminar und der Austausch mit Fachkolleg*innen können die eigenen Aufgaben unterstützen und gegebenenfalls zu neuen Lösungen führen.
