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Gigabit-Ethernet über POF: Galvanische Trennung für sichere 48-V-Bordnetzarchitektur

Das Unternehmen KDPOF macht nach eigenen Angaben mittels seiner optischen Verbindungstechnologie die 48-V-Bordnetzarchitektur sicher: Mittels künstlicher Lichtwellenleiter lassen sich Batteriemanagementsysteme und integrierte Antennenmodule galvanisch trennen.

KDPOF Bildquelle: © KDPOF

KDPOF bietet eine vollständige POF-Lösung zur nahtlosen Integration in das Bordnetz im Fahrzeug.

Die Notwendigkeit für ein allumfassendes Kommunikationsnetz im Fahrzeug und speziell zwischen Steuergeräten, die unterschiedlichen Spannungsdomänen angehören, kann gefährlich werden. Jedes Ereignis, bei dem sich das 48- mit dem 12-V-System verbindet, zum Beispiel wegen nicht ausreichend galvanisch getrennter Leitungstransceiver, könnte die Steuergeräte im 12-V-Bereich zerstören. Deshalb ist eine galvanische Trennung zwischen den Kommunikationsknoten notwendig.

Als Reaktion auf die Forderungen nach einer weiteren Reduktion der Treibhausgase bis 2021 kündigen OEMs und Tier Ones für die nahe Zukunft neue Hybrid-Architekturkonzepte auf Basis zweier Versorgungsspannungen (12/48 V) an. Ein weiteres Beispiel für den industrieweiten Technologietrend hin zur 48-V-Spannungsversorgung und dem Umgang mit ihr ist die Norm VDA 320 – eine Empfehlung für elektrische und elektronische Komponenten im Fahrzeug für die Entwicklung eines 48-V-Bordnetzes. Sie definiert Anforderungen, Prüfbedingungen und Prüfungen an elektrische, elektronische und mechatronische Komponenten und Systeme für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mit einem 48-V-Bordnetz.

»Die neue 48-V-Bordnetzarchitektur reizt die Grenzen der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Sicherheitsanforderungen für Batteriemanagementsysteme aus«, so Carlos Pardo, CEO und Mitgründer von KDPOF, einem Anbieter für Gigabit-Transceiver über polymere optische Fasern (kurz POF). »Es bedarf neuer Sicherheitsvorkehrungen, denn bereits eine einzige Störung zwischen dem 48- und dem 12-V-Elektrosystem löst einen Kurzschluss aus, der aufgrund der Überspannung das gesamte 12-V-System beschädigen kann.«

Optische Verbindungen mit POF, wie das Automotive Gigabit Ethernet POF (GEPOF) von KDPOF, eignen sich besonders für die galvanische Trennung, weil sie Ethernet-kompatible Lösungen mit 100 Mbit/s und 1 Gbit/s und ausreichend Toleranz bieten, um in der rauen Automotive-Umgebung zu bestehen. Anwendungen wie Batteriemanagementsysteme (BMS) und integrierte Smart-Antenna-Module profitieren von der inhärenten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von POF.

KDPOF Bildquelle: © KDPOF

Carlos Pardo, CEO und Mitgründer von KDPOF »Die neue 48-V-Bordnetzarchitektur reizt die Grenzen der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Sicherheitsanforderungen für Batteriemanagementsysteme aus.«

Batteriemanagementsysteme

Auch die primären und sekundären Systeme der AC/DC- und DC/DC-Wandler müssen wegen der gefährlich hohen Spannung – über 25 V Wechselspannung oder 60 V Gleichspannung – galvanisch entkoppelt sein. Gemäß der 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 nahezu perfekte galvanische Trennung, wie sie Kupfer-basierte Netzwerke nicht leisten können, nicht zu erreichen ist«, so Pardo. Zudem ist das BMS eine sehr rauschintensive Umgebung und die Kommunikation anfällig für Störungen durch geleitete und eingestrahlte HF-Emissionen. Optische Verbindungen haben sich laut Unternehmensangabe bezüglich EMV am robustesten erwiesen.

Smart-Antenna-Modul

Ein integriertes Smart-Antenna-Modul (ISA) besteht aus mehreren Antennen zum Empfang von Signalen, einem Antennen-Hub und einer Ethernet-Verbindung zu den Abnehmern des Antennensignals wie beispielsweise einem Radioempfänger. Würde von jeder der verschiedenen Antennen im Auto ein eigenes Kabel zu ihrem entsprechenden Steuergerät führen, wäre die Komplexität schnell unübersichtlich. Gigabit-Ethernet über POF eignet sich aufgrund seiner inhärenten EMV für diese Verbindung. »Ist das Dach nicht metallisch oder hat es Öffnungen, setzt ein Koaxialkabel in einem konventionellen System eine große Energiemenge frei, die in das ISA zurückgestreut wird. Das beeinträchtigt die Leistung des ISA erheblich«, erläutert Pardo. POF anstelle des Koaxialkabels löse dieses Problem vollständig.