Verbesserung der EMV einer Platine am Beispiel eines Batterie

Transcription

Hochschule Bochum
Bochum University of Applied Sciences
Fachbereich Mechatronik und Maschinenbau
Verbesserung der EMV einer Platine am Beispiel eines
Batterie Monitoring Systems
Bachelorarbeit
1. Prüfer:
Prof. Dr. rer. nat. Jan Albers
2. Prüfer:
Prof. Dr. Siegfried Heckmann
Bearbeiter: Sebastian Gajda
Ich, Sebastian Gajda, versichere, dass ich die vorliegende Arbeit ohne fremde Hilfe und
ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen angefertigt habe und dass die
Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen hat und von dieser als Teil einer Prüfungsleistung angenommen wurde. Alle Ausführungen, die wörtlich oder sinngemäß übernommen wurden, sind als solche gekennzeichnet.
Bochum, 24.11.2010
..............................................
Vorname, Name
Inhaltsverzeichnis
Verbesserung der EMV einer Platine am Beispiel eines Batterie Monitoring Systems
Inhaltsverzeichnis
Erklärung
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
Abbildungsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ......................................................................................................... 3
Formelzeichen und Abkürzungen ................................................................................ 6
Abbildungsverzeichnis ................................................................................................. 7
1. Aufgabenstellung und Einleitung ............................................................................ 9
1.1 Aufgabenstellung.................................................................................................. 9
1.2 Was ist EMV? ..................................................................................................... 10
1.3 Zu welchen Problemen kann es kommen?......................................................... 10
2. Elektromobilität an der Hochschule Bochum ...................................................... 13
2.1 Was ist das Solarcarteam?................................................................................. 13
2.2 Das SIMcar Projekt ............................................................................................ 15
2.3 Das BOmobil ...................................................................................................... 15
3. Die Testplatine (BMS).............................................................................................. 16
3.1 Was ist ein BMS? ............................................................................................... 16
3.2 Wo werden sie verbaut? ..................................................................................... 17
3.3 BMS im BOcruiser / SolarWorld No. 1 ................................................................ 20
4 Theoretische Grundlagen EMV ............................................................................... 22
4.1 Betrachtung der einzelnen Komponenten .......................................................... 24
4.1.1 Die Störquelle ........................................................................................... 25
4.1.2 Kopplungsmechanismen .......................................................................... 25
4.1.3 Störsenke: Objekt, auf das die Störung einwirkt. ...................................... 30
4.1.4 Störgrößen lassen sich nach folgenden Punkten aufteilen: ...................... 30
4.2 Grundregeln des EMV gerechten Designs ......................................................... 32
3
Inhaltsverzeichnis
4.3. Richtlinien und Normen ..................................................................................... 36
5. Rechnergestützte Entwicklung mit dem Eagle Layout Editor ............................. 38
5.1 Eagle Layout Editor ............................................................................................ 38
5.2 Der Schaltplan-Editor ......................................................................................... 39
5.3 Der Layout Editor ............................................................................................... 40
5.4 Der Autorouter .................................................................................................... 41
6. Entwicklung eines BMS nach EMV-Richtlinien ..................................................... 42
6.1 Erste Überlegungen ........................................................................................... 42
6.2 Messungen im EMV Raum ................................................................................. 44
6.3 Messaufbau und Messverfahren ........................................................................ 46
6.3.1 Leitungsgeführte Messungen ................................................................... 47
6.3.2 Gestrahlte Messung mit der bikonischen Antenne.................................... 48
6.3.3 Gestrahlte Messung mit der LogPer Antenne ........................................... 49
6.3.4 Messung der Störfestigkeit ....................................................................... 51
6.4 Erste Messungen des BMS ................................................................................ 52
6.5 Analyse der BMS Platine .................................................................................... 54
7. Planung und Herstellung eines neuen BMS ......................................................... 57
7.1 Designen von Leiterplatinen ............................................................................... 57
7.1.1 Fertiges Design des Original-BMS............................................................ 57
7.2 Herstellung der Platinen ..................................................................................... 58
7.2.2 Belichten ................................................................................................... 59
7.2.3 Entwickeln und Ätzen ............................................................................... 60
7.2.4 Bohrungen und Durchkontaktierung ......................................................... 61
7.2.5 Bestückung der Platine ............................................................................. 62
8. Verschiede BMS-Versionen im EMV-Labor ........................................................... 63
8.1 Verschieden Versionen des BMS in der Übersicht ............................................. 63
8.2 Messergebnisse ................................................................................................. 69
8.2.1 Erste Messung: Leitungsgebunde Störaussendung von 150 KHz bis 20
MHz .......................................................................................................... 69
Abb. 8-0-9: Ergebnisse der Störaussendungsmessung von 150 KHz bis 20
MHz .......................................................................................................... 69
8.2.2 Zweite Messung: Leitungsgebunde Störaussendung von 20 MHZ bis
108 MHz ................................................................................................... 73
4
8.2.3 Dritte Messung: Gestrahlte Störaussendung von 20 MHz bis 200 MHz ... 74
8.2.4 Vierte Messung: Gestrahlte Störaussendung von 200 MHz bis 1GHz...... 76
8.5 Zusammenfassung und Interpretation der Messergebnisse ............................... 77
9. Zusammenfassung und Ausblick .......................................................................... 79
Literaturverzeichnis .................................................................................................... 80
Anhang ......................................................................................................................... 81
5
AC
- Alternating Current (deutsch: Wechselstrom)
ASC - American Solar Challenge
ASCII - American Standard Code for Information Interchange
BMS - Battery Monitoring System
BPS - Battery Protection System
C
- Kapazität
dB
- dekadischer Logarithmus
EMV - Elektromagnetische Verträglichkeit
IC
- integrated circuit (deutsch: integrierte Schaltung/ Microchip)
L
- Induktivität
Li-Ion - Lithium-Ionen
NASC - North American Solar Challenge
R
- Widerstand
SMD - Surface-Mounted Device (deutsch: oberflächenmontierbares Bauelement)
VIA
- Vertical Interconnect Access (vertikale Durchkontaktierung)
µC
- Mikrocontroller
6
Abb. 1-1: Braunsche Röhre [PM10] .......................................................................................... 11
Abb. 2-1: Solarfahrzeuge der Hochschule Bochum ................................................................... 14
Abb. 2-2: SIM Car ..................................................................................................................... 15
Abb. 2-3: BOmobil..................................................................................................................... 15
Abb. 3-1: Beispiele für den Einsatz von BMS ............................................................................ 19
Abb. 3-2: BMS07 von oben ....................................................................................................... 20
Abb. 3-3: BMS07 von unten ...................................................................................................... 21
Abb. 3-4: Geöffnete Batteriebox mit den einzelnen Batterienpacks ........................................... 21
Abb. 4-1 Feldlinien [FL10] ......................................................................................................... 22
Abb. 4-2: Komponenten der Störbeeinflussung ......................................................................... 24
Abb. 4-3: Kapazitive Kopplung [KG05] ...................................................................................... 26
Abb. 4-4: Induktive Kopplung [DEMVT] ..................................................................................... 28
Abb. 4-5: Galvanische Kopplung [KG05] ................................................................................... 29
Abb. 4-6: Elektromagnetische Kopplung [KG09] ....................................................................... 29
Abb. 4-7: Gleich und Gegentaktsignale [WIGE] ........................................................................ 31
Abb. 4-8: Breitbandig [JF08] ..................................................................................................... 31
Abb. 4-9: Schmalbandig [JF08] ................................................................................................. 31
Abb. 4-10: Interner Aufbau eines Gerätes [KG05] ..................................................................... 32
Abb. 4-11: Spannungsversorgung der Logikbausteine .............................................................. 33
Abb. 4-12: Große Schleife......................................................................................................... 33
Abb. 4-13: Kleine Schleife ......................................................................................................... 33
Abb. 4-14: Verlegung des Signalleiters bei Unterbrechung der Masseebene ............................ 34
Abb. 4-15: Anordnung von Leiterbahnen ................................................................................... 34
Abb. 4-16: Leiterbahnverbindungen .......................................................................................... 35
Abb. 4-17: Versorgung mehrerer Bausteine mit dem selben Taktsignal .................................... 36
Abb. 4-18: CE-Kennung ............................................................................................................ 37
Abb. 5-1: Schaltplan Editor in Eagle .......................................................................................... 39
Abb. 5-2: Layout Editor in Eagle................................................................................................ 40
Abb. 6-1: Ziele beim Bau eines Solarfahrzeugs ........................................................................ 42
Abb. 6-2: EMV-Pyramide [KG09] .............................................................................................. 43
Abb. 6-3: EMV Raum der Hochschule Bochum......................................................................... 44
Abb. 6-4: Messempfänger und Generator ................................................................................. 44
Abb. 6-5: Messequipment an der Hochschule Bochum ............................................................. 45
Abb. 6-6: Feldsonsde ................................................................................................................ 45
Abb. 6-7:Leitungsgeführte Messung [DIN55025] ....................................................................... 47
7
Abb. 6-8: Gestrahlte Messung mit der bikonischen Antenne [DIN55025] .................................. 48
Abb. 6-9: Gestrahlte Messung mit der LogPer Antenne [DIN55025] ......................................... 49
Abb. 6-10: Leer und Referenzmessung im Absorberraum......................................................... 50
Abb. 6-11: Messung der Störfestigkeit [DIN55025].................................................................... 51
Abb. 6-12: Erste Messung des Original-BMS im unteren Frequenzbereich ............................... 52
Abb. 6-13: Erste Messung des Original-BMS im oberen Frequenzbereich ............................... 53
Abb. 6-14: Negative und positive Punkte am Original-BMS....................................................... 54
Abb. 6-15: 8 MHz Sinusfrequenz vom Quarz ............................................................................ 55
Abb. 7-1: Layout des Original-BMS in Eagle ............................................................................. 57
Abb. 7-2: Gedruckte Layouts im Belichter ................................................................................. 59
Abb. 7-3: Sprühätzanlage der Hochschule Bochum .................................................................. 60
Abb. 7-4: Ätzergebnisse ............................................................................................................ 60
Abb. 7-5: Arbeitsschritte bei der Herstellung einer Platine......................................................... 61
Abb. 7-6: Reflow-Lötstation ....................................................................................................... 62
Abb. 8-1: Layout von BMS 3 in Eagle........................................................................................ 64
Abb. 8-2: BMS 3 von beiden Seiten .......................................................................................... 65
Abb. 8-3: Layout von BMS 4 in Eagle........................................................................................ 66
Abb. 8-4: BMS 4 von beiden Seiten .......................................................................................... 67
Abb. 8-5: Schirmung mit Metallgehäuse und Ferritkern ............................................................. 67
Abb. 8-8: Ausschnitt aus der Schirmfläche [RW09] ................................................................... 68
Abb. 8-6: Ferritring .................................................................................................................... 68
Abb. 8-7: USB Kabel mit ........................................................................................................... 68
Abb. 8-9: Ergebnisse der Störaussendungsmessung von 150 KHz bis 20 MHz ........................ 69
Abb. 8-10: Messungen mit dem Oszilloskop ............................................................................. 70
Abb. 8-11: Oszilloskopbild -Takt des DC/DC Wandlers ............................................................. 70
Abb. 8-12: Drossel am DC/DC Wandler .................................................................................... 70
Abb. 8-13: 500 KHz – 1 MHz .................................................................................................... 71
Abb. 8-14: 7,5 bis 8,5 MHz........................................................................................................ 72
Abb. 8-15: Ergebnisse der leitungsgebunden Störaussendungsmessung von 20 MHZ bis
108 MHz ..................................................................................................................... 73
Abb. 8-16: Vergleich BMS 1 und BMS 5 ................................................................................... 73
Abb. 8-17: Ergebnisse der gestrahlten Störaussendungsmessung von 20 MHz bis 200
MHz 74
Abb. 8-18: BMS 3, 4 und 5 ........................................................................................................ 75
Abb. 8-19: BMS 5 besteht diese Prüfung .................................................................................. 75
Abb. 8-20: Ergebnisse der gestrahlten Störaussendungsmessung von 200 MHz bis 1 GHz ..... 76
Abb. 8-21: BMS 1, 3 und 5 im Vergleich ................................................................................... 77
8
1. Aufgabenstellung und Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
In Bereichen, in denen Bauelemente der Leistungselektronik und signalverarbeitende
(digitale) Komponenten dicht beieinander verbaut werden, kommt es häufig zu elektromagnetischen Beeinflussungen und Problemen. Besondere Bedeutung gewinnt
diese Problematik z.B. bei Hybird- und Elektrofahrzeugen.
Viele große Autohersteller beschäftigen sich aktuell mit dem Thema „alternative Antriebe― und es ist zu erwarten, dass der Anteil der Elektrofahrzeuge auf dem Automobilmarkt in Zukunft weiter wachsen. Hier arbeiten unter anderem starke Elektromotoren und empfindliche Schaltungstechnik auf begrenztem Raum zusammen. Deshalb
ist es wichtig, bereits bei der Planung die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
zu berücksichtigen, da spätere Änderungen und Designänderungen immer mit hohen Kosten und hohem Zeitaufwand verbunden sind.
Auch die Hochschule Bochum wird sich in naher Zukunft immer stärker mit dem
Thema EMV beschäftigen. Mit dem Solarcarteam und dem neu gegründeten Institut
für Elektromobilität1(e-Mobility) gibt es immer mehr Bestrebungen, ein alltagstaugliches und sogar straßentaugliches Elektrofahrzeug zu entwickeln.
Die bis jetzt gebauten Solarfahrzeuge hielten sich nur an die Richtlinien und technischen Vorgaben der Rennorganisationen. Ein EMV-gerechtes Design wurde deshalb
wenig bis gar nicht beachtet. Die zukünftig gebauten Fahrzeuge (z. B. das SIMcar
oder der BOmobil) sollen eine Straßenzulassung bekommen. Dadurch wird die Frage
nach der elektromagnetischen Verträglichkeit der Fahrzeuge und Bauteile immer
wichtiger. Mit der Einrichtung eines EMV-Labors gibt es nun die Möglichkeit für entsprechende Tests direkt an der Hochschule.
Während dieser Bachelorarbeit wird anhand einer BatteriemanagementsystemPlatine gezeigt, dass EMV-gerechtes Design elektromagnetische Störeinflüsse erheblich reduzieren kann. Außerdem sollen weitere Maßnahmen aufgezeigt werden,
die in Zukunft für eine bessere elektromagnetische Verträglichkeit der in der Hochschule Bochum gebauten Fahrzeuge führen soll. Das Hauptaugenmerk liegt dabei
allerdings im Design und dem Aufbau der Leiterplatinen. Es soll möglichst versucht
werden auf aufwendige Schirmungen und Gehäuse zu verzichten. Diese würden ein
höheres Gewicht der einzelnen Komponenten mit sich bringen. Gerade bei dem Bau
eines Solarfahrzeuges ist Leichtbauweise ein sehr wichtiges Kriterium.
1
Institut für Elektomobilität: www.hochschule-bochum.de/fbe/e-mobility.html
9
1.2 Was ist EMV?
“Unter elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV, engl. EMC: electromagnetic compatibility) versteht man die Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines Systems, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei
selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für alle in dieser Umwelt
vorhandenen Apparate, Anlagen oder Systeme unannehmbar wären.”
Zitat aus Richtlinie 2004/108/EG über die elektromagnetische Verträglichkeit
Bereits seit dem 01.01.1996 müssen Hersteller elektronischer Schaltungen die elektromagnetische Verträglichkeit ihrer Geräte nachweisen. Hierbei müssen sowohl
technische als auch rechtliche Fragen in Betracht gezogen werden. Zu allererst muss
sichergestellt sein, dass sich elektrische Geräte gegenseitig nicht beeinflussen. Des
Weiteren schreibt der Gesetzgeber Richtlinien mit Maximalwerten für alle elektrischen Geräte, die zertifiziert werden müssen, vor. Werden diese Grenzen nicht eingehalten, darf dieses Produkt nicht auf dem deutschen bzw. europäischen Markt angeboten werden.
EMV in diesem Sinne umfasst keine Beeinflussung biologischer Systeme.
1.3 Zu welchen Problemen kann es kommen?
Um die Problematik zu verdeutlichen, hier einige Beispiele, die durch schlechte EMV
im Alltag entstehen:
- Werden Lautsprecher zu nah an einem Röhrenfernseher aufgestellt, kommt es teilweise zu ungewollten Farbmustern auf dem Bild. Sind die Magnetspulen in einem
Lautsprecher nicht ausreichend abgeschirmt, reicht das magnetische Feld bis zur der
Röhre des TV-Gerätes. In der Röhre des TVs werden die Elektronen von zwei Spulen abgelenkt (Spannungen U1 und U2). Die Magnetfelder der Lautsprecher führen
dazu, dass die Elektronen stärker in eine Richtung abgelenkt werden und somit ein
verfälschtes Bild auf der Mattscheibe entsteht.
10
Abb. 1-0-1: Braunsche Röhre [PM10]
Zu Abb. 1-1:
Uh - Heizspannung
Ub - Beschleunigungsspannung
U1 - Ablenkung in Y Richtung
U2 - Ablenkung in Y- Richtung
- Beispiel Mobiltelefon: Wird ein Mobiltelefon in die Nähe einer älteren Hi-Fi Anlage
gehalten, hört man deutliche rhythmische Störgeräusche. Die Leitungen, die zum
Lautsprecher führen, ebenso wie die Netz-Leitungen eines Radios oder dessen Antenne fangen Funkwellen jeder Art auf. Auch diese, die ein Handy ausstrahlt wenn es
Daten sendet oder empfängt. Bestimmte Halbleiterbaiuelemente in den Eingangskreisen sind Hochfrequenz2-fähig und verstärken dann solche elektromagnetischen
Einstrahlungen. Diese sind dann in den Lautsprechern deutlich hörbar. Da ein Handy
auch mit den Funktürmen kommuniziert während man nicht telefoniert, hört man diese Störgeräusche auch wenn das Handy nicht benutzt wird.
- Beispiel Hi-Fi Anlage: Manchmal hört man aus seiner Hi-Fi Anlage einen andauernden Brummton und evtl. „Knack-Geräusche― beim betätigen anderer elektrischer Geräte (z. B. Lichtschalter). Dies liegt wahrscheinlich an falsch verlegten Leitungen. Werden Signal- und Leistungsleitungen direkt nebeneinander verlegt, überträgt sich die 50 Hertz Wechselspannung auf die Signalleitung und macht sich dann
als Brummen in den Lautsprechern bemerkbar. Spannungsspitzen, die beim Schalten von Geräten auftreten können, verursachen Knackgeräusche in den Lautsprechern. Abhilfe schafft hier die Verwendung von geschirmten Kabeln oder das getrennte Verlegen von Strom- und Signalkabeln.
2
Hochfrequent: Frequenzbereich von ca. 3 MHz bis ca. 300 GHz
11
- Beispiel KFZ: Vor einigen Jahren gab es Meldungen, dass Fahrzeuge, die z. B.
unter Sendemasten oder ähnlichem standen, nicht ansprangen oder Fehler in der
Elektrik hatten. Eine mögliche Ursache hierfür könnte sein, dass man bei der Implementierung neuer Technik mit Sensoren und IC’s die EMV Vernachlässigt hatte.
Heutzutage sind solche Meldungen aufgrund intensiver AMV Forschungen seltener
geworden.
- Beispiel Solarcar: Bei der ASC2008 gab es wiederholt Ausfälle des CAN-BusSystems von Solar World No. 1 beim Beschleunigen. Bei späteren Untersuchungen
zeigte sich, dass sich die Störungen des Motorcontrollermoduls auf ein in der Nähe
verlegtes Kabel des CAN Bus Systems übertrugen und so zum Ausfall des selbigen
führten. Eine Neuverlegung des gestörten Kabels schuf Abhilfe.
Weitere Probleme durch schlechte EMV:
- Sporadisch auftretende Fehlfunktionen
- Störungen von Mess- und Kommunikationseinrichtungen
- Unstetige Regelung
- Ausfall oder Zerstörung von Geräten
12
2. Elektromobilität an der Hochschule Bochum
2.1 Was ist das Solarcarteam?
Das Solarcarteam ist ein Lehrforschungsprojekt („Problem Based Learning― ), in dem
die Studenten der Hochschule Bochum Solarautos entwickeln und bauen.
Angefangen hat diese Idee 1999, als einige Studenten der Hochschule Bochum im
Solarcarteam der South Bank University of London den Mad Dog III bauten. Dieser
nahm 2001 an der australischen Weltmeisterschaft für Solarfahrzeuge, der World
Solar Challenge (WSC3) teil. Bei diesem Rennen geht es darum, die Strecke von
Darwin nach Adelaide (3000 km) nur mit der Kraft der Sonne zurückzulegen.
Danach folgte der erste Wagen, Hans GO!, der an der Hochschule Bochum in Zusammenarbeit mit Londoner Studenten gebaut wurde. Benannt wurde dieser nach
dem Firmeneigentümer des Hauptsponsors, Hans Gochermann. Nach der Fertigstellung 2003 erreichte das Team den 5. und 2005 den 8. Platz in der WSC.
Mit dem Nachfolger SolarWorld No. 1 belegte man in Australien den 4., bei der North
American Solar Challenge4 sogar den dritten Platz und gewann zusätzlich noch den
Design Award für das schönste Solarauto. Der Namensgeber war auch bei diesem
Fahrzeug der Hauptsponsor, bei diesem Fahrzeug die Firma SolarWorld5.
Der BOcrusier, gebaut von 2007 bis 2009, verfolgt mit seinen PKW typischen Abmaßen und vier Rädern eine etwas andere Philosophie. Anstatt eines Rennwagens
wollte man diesmal ein eher alltagstaugliches Fahrzeug erschaffen. Dies ist dem
Team aus Bochum offenbar auch gelungen. Dieses Fahrzeug sorgte für viel Aufmerksamkeit bei der WSC 2009 und gewann erneut den Award für ein besonders
innovatives Design. 2010 belegte es bei der European Solar Car Challe6nge den ersten Platz.
Auch 2010 nahm das Solarcarteam wieder mit SolarWorld No. 1 an der American
Solarcar Challenge teil. In diesem Jahr wurde der 2. Platz bei dem Formula Sun
Grand Prix' erreicht und bei dem direkt darauf folgenden Rennen von Tulsa nach
Naperville (2.000 Kilometer) der 3. Platz. Außerdem ging der „Peoples Choice
Award― an das Team aus Bochum.
3
4
5
6
World Solar Challenge: Weltmeisterschaft für Solarfahrzeuge, http://www.wsc.org
North American Solar Challenge: http://americansolarchallenge.org
SolarWorld: http://www.solarworld.de
ESC: http://www.europeansolarchallenge.eu
13
Für die Zukunft wird auch wieder ein neues Solarfahrzeug geplant. Allerdings will
man den eingeschlagenen Weg konsequent weiter gehen und Fahrzeuge entwickeln,
die immer straßentauglicher werden. Die Vorgaben für das neue Solarfahrzeug: Mindestens zwei Sitzplätze, vier Räder und Türen, die einen „normalen― Einstieg ermöglichen.
Die bisher von Studenten der Hochschule Bochum gebauten Fahrzeuge7:
Mad Dog
Hans Go1
SolarWorld
No.1
BOcruiser
Abb. 2-0-1: Solarfahrzeuge der Hochschule Bochum
7
Quelle & Weitere Informationen: http://www.hochschule-bochum.de/solarcar/solarrennwagen.html
14
2.2 Das SIMcar Projekt
Aus dem Solarcar Projekt entwickelte sich ein weiteres Lehrforschungsprojekt, das
SIMcar. Diese Abkürzung steht für „Sustainable Individual Mobility Car" (übersetzt:
"Fahrzeug für nachhaltigen Individualverkehr"). Unter diesem Namen wird in Bochum
ein straßenzugelassenes Elektrofahrzeug entwickelt und in Zukunft auch gebaut. Es
bietet Platz für 3 Personen und nutzt als Energiespeicher Lithium-Ionen-Zellen.
Abb. 2-0-2: SIM Car
2.3 Das BOmobil
Ein weiteres Projekt, das innerhalb der nächsten zwei Jahre entwickelt, konstruiert
und gebaut wird, ist das BOmobil. Dieser „Kleintransporter― mit einer voraussichtlichen Tagesreichweite von 150 km ist es vor allem für Dienstleister und Unternehmen
für regionalen Transport von Waren konzipiert. Dank der rekurpativen Bremse (auch
als regenerative Bremse bezeichnet), die die kinetische Energie durch die Elektromotoren wieder zurück in elektrische Energie umwandeln, eignet sich dieses Konzept
besonders für den Stadtverkehr.
Abb. 2-0-3: BOmobil
15
3. Die Testplatine (BMS)
In diesem Kapitel wird die Platine, die für die nachfolgenden Versuchsreihen ausgewählt wurde vorgestellt und die Gründe für diese Wahl näher erläutert.
3.1 Was ist ein BMS?
Jedes der bisher gebauten Solarfahrzeuge besitzt zumindest ein Batteriemonitoringsystem.
Die Platine des Batteriemonitoringsystems ist ein wichtiger Bestandteil des Batteriemanagementsystems. Sie überwacht wichtige Parameter wie z. B. Spannung und
Temperatur einer wiederaufladbaren Batterie.
Dies ist nötig, um einen fehlerfreien Betrieb und eine lange Lebensdauer für Batterien und Akkus zu gewährleisten. Dazu werden konstant wichtige Daten aufgenommen und an andere Komponenten weitergesendet. Diese Daten können dann von
anderen Modulen verarbeitet werden. So lässt sich z. B. der Ladezustand einer Batterie ermitteln und eine optimale Nutzung bestimmen. Des Weiteren verhindert es so
einen vorzeitigen unvorhergesehenen Ausfall der Batterie durch häufiges Überladen
oder Tiefentladen der Batteriezellen.
Durch ein Batterieprotectionsystem lässt sich die Batterie im Falle einer Fehlfunktion
schützen. Diese Fehlfunktionen können sein:
Zu hoher Strom beim Laden oder Entladen der Batterie
Kurzschluss
Überspannung
Tiefentladung
Zu hohen Temperaturen
Isolationsfehler
Hierbei misst wieder das BMS Spannung und Temperatur, sendet diese Daten an
andere Komponenten weiter, die geeignete Schutzmaßnahmen einleiten. Ein Beispiel hierfür ist z. B. ein Schütz oder Relais, welches bei zu hohem Strom oder zu
hohen Temperaturen die Hauptstromversorgung unterbricht.
16
Ein wichtiger Punkt ist die Kommunikation mit anderen Komponenten des Systems,
welche auf kritische Zustände hinweisen oder im Extremfall abschalten um so Batterien vor Zerstörung zu schützen. Dies geschieht heute oftmals über Bus-Systeme
und Microcontroller, die die Daten per Software verarbeiten.
Dieser Bus kann zum Beispiel ein Can Bus (Controller Area Network) sein - ein
asynchrones, serielles Bussystem, welches oftmals zur Vernetzung von Steuergeräten in Automobilen verwendet wird.
Diese einzelnen Komponenten fasst man unter dem Begriff Batteriemanagementsystem zusammen.
3.2 Wo werden sie verbaut?
Ein geeignetes Batteriemanagementsystem ist immer auf die genutzte Batterie abgestimmt, d. h. es berücksichtigt die Eigenschaften des Batteriesystems und den jeweiligen Einsatzfall. Batteriemanagementsysteme werden heutzutage größtenteils für
Lithium-Ionen oder Lithium-Polymer Batterien eingesetzt, da diese Zellen besonderen Schutz benötigen. Diese besonders empfindlichen Zellen bieten gegenüber herkömmlichen Bleibatterien den wesentlichen Vorteil einer höheren Energiedichte. Dies
bedeutet, dass sie bei gleichem Gewicht eine um bis zu dreimal größere Energiemenge speichern können.
Des Weiteren bieten sie weitere Vorteile gegenüber anderen Batteriesystemen:
- längere Lebensdauer bei entsprechender Überwachung und Nutzung
- kurze Ladezeiten
- geringe Selbstentladung
- keinen „Memoryeffekt― (Batterie kann in jedem Ladezustand aufgeladen werden)
- Temperaturbereich der Li-Ionenbatterie von -20°C bis +70°C
- umweltfreundlicher als Blei-Akkumulatoren
Technologie
Energiedichte
Bemerkungen
Anwendungsbereich
in [Wh/kg]
Bleiakkumulator
30-40
Hochstromfähig, schwer, Lebens-
Starterbatterie, Glüh-
dauer stark vom Ladezustand ab17
(Pb/Acid)
hängig, giftig, sehr gutes Preis-
kerzenbatterie in KFZ
/Leistungsverhältnis, ausgereifte,
robuste Technik,
einfache Ladetechnik
Nickel Cadmium
40–60
Zellen (NiCd)
Nickel Metallhyd-
60–110
rid Zelle (NiMH)
Hochstromfähig, enthält Schwer-
Unterhaltungselektronik,
metalle (giftig), Memory-Effekt, seit
Messgeräte, Haushalts-
2008 EU-weit verboten
geräte, Medizintechnik
hohe Kapazität, nur begrenzt
Hochstromfähig, umweltfreundlich,
möglicher Memory-Effekt
Lithium-Ionen
120–210
Zellen
Spielzeuge, Fernsteuerungen, Elektrowerkzeuge, Audio-, Fotound Videogeräte, Elektrische Zahnbürsten und
Rasierapparate,
höchste Energiedichte, sehr leicht,
Mobiltelefone, Digital-
hohe Zellenspannung
kameras, Camcorder,
kein Memory-Effekt
Notebooks , Elektromo-
geringe Selbstentladung, erfordert
bilität
spezielle Ladegeräte und Pflege
(explosionsgefahr), teuer
Lithium-PolymerAkkumulator
140- 180
Weiterentwicklung des Lithium-
Modellbau, Kleinelekt-
Ionen-Akkus, hohe Energiedichte,
ronik, Elektromobilität
sehr leicht, in vielen Formen Herstellbar
Quelle: http://de.wikipedia.org
Allerdings ist der Einsatz eines BMS für fast alle aufladbaren Batteriesysteme denkbar. Dabei kann das BMS wie bei Laptops direkt im Akkupack oder außerhalb wie bei
Elektrofahrzeugen verbaut sein.
18
Einige Beispiele8:
Samsung
Notebook Akku
Tesla Roadster
Mabistar
Elektrostapler
Handyakku
Abb. 3-0-1: Beispiele für den Einsatz von BMS
8
http://www.samsung.de
http://www.teslamotors.com (Quelle: Eigenes Bild Hannover Messe 2010)
http://www.Mabistar.ch
Handyakku: Eigenes Bild
19
3.3 BMS im BOcruiser / SolarWorld No. 1
Bei dem hier untersuchten BMS handelt es sich um das von Studenten der Hochschule Bochum entwickelte BMS07. Diese Abkürzung steht für Battery-MonitoringSystem 2007 und ist Teil des Batteriemanagementsystems der Solarfahrzeuge SolarWorld No. 1 und des BOcruisers. Die Platine hat die Größe einer halben Europlatine (100 x 80 mm) und ist beidseitig bestückt. Auf der Oberseite kommen bedrahtete
Bauteile zum Einsatz. Auf der Unterseite wurde die Platine, damit sie sich einfacher
verbauen lässt, mit SMD-Bauteilen bestückt. Auf der Oberseite sieht man Anschlüsse
für den CAN-Bus, der auch gleichzeitig die Spannungsversorgung der Platine darstellt. Ein 10-poliger Stecker stellt die Schnittstelle zum Programmieren des Atmel
Microcontrollers dar. Außerdem sind acht Anschlüsse für Temperatursensoren und
zwei für die Batteriespannung verbaut.
Jedes dieser BMS-Module kann also zwei Spannungen und somit zwei Batteriepacks
und bis zu acht Temperaturen überwachen. Die gemessenen Daten werden von dem
Atmel9 Microcontroller (einem ATMEGA 8L8) verarbeitet und über den CAN-Bus weitergesendet. Somit stehen diese Daten anderen Steuergeräten im Fahrzeug jederzeit
zur Verfügung. Über einen DIP-Schalter lässt die Adresse der CAN-Nachricht als
Dualzahl einstellen.
Abb. 3-0-2: BMS07 von oben
9
Atmel: http://www.atmel.com
20
Abb. 3-0-3: BMS07 von unten
Da es bei den Batterien mehrere Batteriepacks gibt, werden dementsprechend viele
BMS Platinen benötigt um die kompletten Batterieboxen zu überwachen.
Abb. 3-0-4: Geöffnete Batteriebox mit den einzelnen Batterienpacks
21
4 Theoretische Grundlagen EMV
Nutz man elektrische Energie, ist dies immer mit der Entstehung von magnetischen
und elektrischen Feldern verbunden. So führt z. B. Stromfluss in einem Leiter zu
elektromagnetischen Feldern. Als Beispiel hierfür dient eine einfache elektrische Leitung aus zwei Kupferdrähten. Im der folgenden Abbildung 2-2 sind zwei parallel verlaufende Kupferleitungen mit den entsprechenden Feldlinien dargestellt.
Abb. 4-1 Feldlinien [FL10]
Wie anhand von Abbildung 4-1 zu sehen ist, bleiben die Felder nicht innerhalb der
verursachenden Medien sondern breiten sich aus. Diese Felder können nun andere
Medien und Geräte durchdringen und eine Wirkung auf sie ausüben.
Dieser Effekt wird zum Beispiel bei der Funkübertragung bewusst eingesetzt. Hier
werden diese Felder zur Datenübertragung genutzt. Sie werden von Leitern mit speziellen Eigenschaften (Antennen) ausgesandt und wieder empfangen. Für die EMV
wird dieser Effekt allerdings versucht zu vermeiden oder einzudämmen.
22
Mathematisch lässt sich dieser Effekt mit folgenden Formeln darstellen:
Die Spannung U wird deﬁniert als Quotient der Arbeit (W) zur Verschiebung einer
Ladung, und dieser Ladung (q) selbst:
mit
= V (Volt)
Die Spannung ist also von der Ladung unabhängig. Im homogenen Feld E eines
Plattenkondensators mit Plattenabstand d gilt:
]
Dies zeigt, dass das elektrische Feld E nur von dem Plattenabstand abhängig ist. Die
magnetische Feldstärke H eines linienförmigen Leiters, der von einem konstanten
Strom I durchflossen wird ist gegeben durch:
x ist hier der Abstand zu dem gesuchten Punkt.
Betrachtet man nun diese Formeln, sieht man, dass die elektrische und magnetische
Feldstärke bei gleichem Strom und gleicher Spannung im Wesentlichen von der
Länge des Leiters und dem Abstand zu dem Messpunkt abhängt. Daraus ergibt sich
bereits die erste Möglichkeit zur Reduzierung der elektromagnetischen Abstrahlung:
Leitungen kurz halten und den Abstand zu leicht beeinflussbaren Geräten möglichst
groß wählen!
23
4.1 Betrachtung der einzelnen Komponenten
Bei der Betrachtung eines EMV-Problems lassen sich die Störbeeinflussungen üblicherweise in drei Blöcke aufteilen.
Störquelle
Kopplung
Störsenke
Abb. 4-2: Komponenten der Störbeeinflussung
„Grundsätzlich kann die EMV durch Maßnahmen an jedem der 3 Blöcke – der Störquelle, der Störsenke und dem Kopplungsmechanismus - verbessert werden.“
[JF08]
Hierbei gilt es, die Störemission der Quelle zu minimieren, die Ausbreitung über den
Kopplungsmechanismus so weit wie Möglich einzudämmen und die Störfestigkeit der
Senke zu maximieren.
Diese Darstellungen sind jedoch stark vereinfacht. In der Praxis gestalten sich diese
Überlegungen als sehr schwierig, da die Kopplungsmechanismen oftmals sehr
komplex sind und Störsenken auch gleichzeitig Störquellen sein können. Außerdem
gibt es in den meisten Fällen mehr als eine Störquelle und eine Störsenke. Diese
können zudem innerhalb des Gerätes liegen oder auch externe Beeinflussungen
sein. Zudem überlagern sich verschiedene Störquellen und die Störungen werden
auf verschiedenen Wegen übertragen.
24
4.1.1 Die Störquelle
Dieses Objekt verursacht die Störung. Störquellen können natürlichen oder künstlichen Ursprungs sein. Beispiele sind:
-
Blitzeinschläge
-
Elektrostatische Entladungen
-
Absichtlich erzeugte Felder. Zum Beispiel durch Sendeanlagen im Frequenzbereich KHz (Langwellen) bis größer 30 GHz (Mikrowellen)
-
Schaltvorgänge in Niederspannungsnetzen erzeugen energiereiche Stoßspannungen (engl. SURGE Impulse)
-
Beim Schalten von Leistungselektronik (Schaltnetzteile) entstehen hochfrequente, energiearme Impulspakete auf Kabeln und Leitungen aller Art (engl.
BURST Impulse)
-
Ein Nuklearer Elektromagnetischer Puls (NEMP) durch eine Atomexplosion
-
Hochfrequente Signale, die bspw. bei Mikroprozessoren oder Frequenzumrichtern entstehen
4.1.2 Kopplungsmechanismen
Sie beschreiben den Weg, auf dem sich die Störung ausbreitet und auf die Störsenke
wirkt. Als unterschiedliche Kopplungsarten lassen sich die folgenden aufführen:
- Die kapazitive Kopplung (elektrische Kopplung)
Die elektrische Kopplung beschreibt die Übertragung von Energie von einem Schaltkreis zu einem anderen aufgrund der gegenseitigen elektrischen Kapazität beider.
Tritt zwischen zwei Stromkreisen eine Potentialdifferenz auf, d. h. liegen sie auf unterschiedlichem Potential, so entsteht ein elektrisches Feld. Dieses Feld kann Verschiebungsströme verursachen, welche sich als Spannungsfälle in einer dem Nutzsignal überlagerten Störspannung äußern. Die Feldwirkung wird in Netzwerkmodellen als Kapazität dargestellt. Eine kapazitive Kopplung nimmt mit wachsender Frequenz des Störeinflusses zu.
25
Abb. 4-3: Kapazitive Kopplung [KG05]
Der Abstand a zwischen Leiter 1 und Leiter 2 lässt sich nach Abb. 4-3 wie folgt berechnen:
Analog dazu ergibt sich der Abstand a‘ von Leiter 1 und dem Spiegelleiter 2:
Für die Kapazitäten (C10 und C20) erhält man dann:
26
vgl. [KG05]
l beschreibt die Leiterlänge, ε als Materiealkonstante die sich aus ε0*εr zusammensetzt. ε0 ist hierbei die elektrische Feldkonstante des Vakuums 10 und εr die dielektrische Leitfähigkeit des Dielektrikums 11.
- Die induktive Kopplung (magnetische Kopplung)
Ursache für die induktive Kopplung ist ein magnetisches Wechselfeld. Um einen
stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld aus, das auch benachbarte
Leiter durchdringt. Eine Stromänderung bewirkt auch eine Änderung des Magnetfeldes, wodurch eine Spannung in den benachbarten Leiter induziert wird.
Diese ist umso höher, je größer die Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt und die
Gegeninduktivität zwischen den beiden Leitern ist.
Ust
= Störspannung
M12
= Gegeninduktivität
di/dt
= Stromänderungsgeschwindigkeit
φ
= Magnetischer Fluss
10
11
-12
Elektrische Feldkonstante des Vakuums ≈ 8,85 *10
dielektrische Leitfähigkeit des Dielektrikums: Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder
27
Abb. 4-4: Induktive Kopplung [DEMVT]
Diese Formel zeigt, dass der Strom I2 in einer Masseschleife gleich dem in der Nähe
fließenden Betriebsstrom I1, multipliziert mit dem Verhältnis aus Gegen- (M12) zu Eigeninduktivität (L2).
- Die galvanische Kopplung (Impedanzkopplung)
Sind in einer elektrischen Schaltung mindestens zwei Stromkreise so angeordnet,
dass ihre Ströme ganz oder teilweise durch gemeinsame Leitungen, den KoppelImpedanzen Zk fließen, kommt es zu einer galvanischen Kopplung. Diese gemeinsame Impedanz ist oft ein gemeinsamer Bezugsleiter, ein gemeinsamer Hinleiter
oder auf Platinen die gemeinsam genutzte Masse verschiedener Stromkreise. Der
Summenstrom setzt sich dann zusammen aus dem jeweils eigenen Stromkreis und
einem überlagerten Teilstrom (Störstrom) des anderen Kreises.
28
Abb. 4-5: Galvanische Kopplung [KG05]
Die Störspannung U2 im beeinflussten Kreis 2 lässt sich mit der Innenimpedanz Zi
und der Lastimpedanz ZL wie folgt berechnen:
Vgl. [KG05]
- Die Elektromagnetische Kopplung (Strahlenkopplung)
Bei der Strahlenkopplung wirken sowohl elektrische als auch magnetische Felder,
die aneinander gekoppelt sind. Diese Felder werden durch Strukturen, die wie Antennen wirken über den nichtleitenden Raum ausgesandt und empfangen. Dies können z. B. Leiterbahnen oder verlegte Kabel sein. Sind hier die geometrischen Dimensionen größer als λ/10 der betrachteten Frequenz, so ist von einer antennenähnlichen Struktur auszugehen.
Abb. 0-1: Elektromagnetische Kopplung [KG09]
29
4.1.3 Störsenke: Objekt, auf das die Störung einwirkt.
Jede elektronische Schaltung, die auf elektromagnetische Wellen reagiert, wird als
Senke bezeichnet. Als Beispiele kann man z. B. empfindliche Messeinrichtungen,
Steuerungssysteme, EDV-Anlagen oder auch Teile in der KFZ–Elektronik nennen.
4.1.4 Störgrößen lassen sich nach folgenden Punkten aufteilen:
- intern / extern:
Die interne Beeinflussung besteht im Allgemeinen aus unerwünschter Kopplung von
einzelnen Bauteilen oder einzelnen Systemkomponenten im Inneren des Gerätes.
Die externe Beeinflussung beinhaltet Signale, die von Außerhalb eingebracht werden, wie zum Beispiel:
·
Leitungsgebundene Einwirkung und Aussendung (z. B. durch Spannungspulse bei Schaltvorgängen auf der Leitung)
·
Strahlungsgebundene Einwirkung und Aussendung (z. B. durch hochfrequente Störquellen)
·
Elektrostatische Entladung am Gerät (z. B. durch geladene Körper)
- Gleich- / Gegentakt:
Es gibt assymmetrische (Gegentakt-) und symmetrische (Gleichtakt-) Störgrößen, die
sich auch überlagern können (Abb. 4-7).
30
Die Strompfeile
kennzeichnen
ein
Gleichtaktsignal,
das sich am
Verbraucher Z
über z. B. eine
parisitäre
Impedanz Ze
schließt
Die Strompfeile
kennzeichnen
ein
Gegentaktsignal,
dass in gleicher
Größe auf hin
und Rückleiter
fließt
Die
Überlagerung
von Gleichtakt
und
Gegentaktsignal
ergibt die reale
Stromverteilung
auf der Leitung
Abb. 0-2: Gleich und Gegentaktsignale [WIGE]
- Breitbandig (Rauschstörer) / schmalbandig (transiente Störer)
Rauschstörer geben kontinuierlich ein zufälliges Störsignal ab (stationärer Zustand). Hierbei lassen sich die Störungen nicht durch eine analytische Funktion beschreiben, sondern sind das Ergebnis vieler Einzelereignisse über einen längeren Zeitraum.
Abb. 0-3: Breitbandig [JF08]
Transiente Störgrößen treten hingegen impulsartig in einem sehr weiten Frequenzbereich auf.
Abb.
Abb. 2-10
0-4: Schmalbandig [JF08]
31
4.2 Grundregeln des EMV gerechten Designs
Im folgenden Kapitel werde einige grundsätzliche EMV-Designregeln aufgeführt. vgl.
[KG09]
Regel 1: Funktionseinheiten sind räumlich konzentriert anzuordnen. Leistungs- und
Signalelektronik immer so weit voneinander entfernt wie möglich.
Abb. 0-5: : Interner Aufbau eines Gerätes [KG05]
Regel 2: Spannungsversorgungsleitungen sollten direkt am Eingang (Stecker) einer
Platine gefiltert werden. So verteilen sich die Störungen nicht über die Ganze Platine.
Regel 3: Die verschiedenen Teilschaltkreise (analog, digital, Versorgung) sollten
auch bezüglich ihrer Masse getrennt geführt werden. Bei Taktfrequenzen größer als
10 MHz wird bei Platinen in den meisten Fällen ein Multilayer-Aufbau mit einer oder
mehreren Masseebenen nötig werden. Falls aus Kostengründen keine separaten
Masseebenen gewählt werden, sollten Masseleiterbahnen links und rechts vom HFSignalleiter geführt werden.
Regel 4: Für Spannungsversorgung der Logikbausteine möglichst kleine Schleifen
verwenden. Je kleiner die Schleife, desto geringer ist die Abstrahlung und höher die
Störfestigkeit. Abb. 4-11 zeigt ein Beispiel, wie mit einfachen Maßnahmen die Spannungsversorgung eines integrierten Schaltkreises (IC) durch eine kleinere Schleife
optimiert werden kann.
32
Abb. 0-6: Spannungsversorgung der Logikbausteine a) große Schleife b) kleine Schleife
Regel 5: Vermeidung von Stromschleifen; Eine große Stromschleife wirkt wie eine
Antenne. Da Stromkreise jedoch immer einen Hin- und Rückleiter erfordern, sollten
diese auch auf der Platine dicht beieinander geführt werden. Je größer die Schleifenfläche, desto höher die Abstrahlung. In den Abb. 2-13 und Abb. 2-14 sind zwei
mögliche Signalführungen gezeichnet.
Große Schleife
Eine große Schleife erhöht die Abstrahlung, erzeugt hohe
magnetische Felder im Nahbereich, die Einkopplung von
Fremdsignalen wird erhöht, die Störfestigkeit ist gering und es
erhöht die Impedanz für den Signalkreis.
Abb. 2-13
Abb. 0-7: Große Schleife
Kleine Schleife
Die kleinere Schleife hat geringere Abstrahlungen, geringere
induktive und kapazitive Kopplungen, eine erhöhte Störfestigkeit und eine definierte Impedanz für den Signalkreis
Abb. 2-14
Abb. 0-8: Kleine Schleife
33
Regel 6: In der Nähe eines jeden Logikbausteines sollte ein Abblockkondensator
(Keramik oder Folie, standartmäßig etwa 100 nF) platziert werden. Diese Glätten die
vorhanden Spannung indem sie Störspannungen abblocken.
Regel 7: Auf einer Platine mit Unterbrechung in der Masseebene ist auch die Versorgungsleiterbahn um die Unterbrechung herum zu legen. Durch diese Maßnahme
bilden Hin- und Rückleitung (über die Massefläche) eine möglichst kleine Schleifenfläche. (Abb. 4-14)
Abb. 0-9: Verlegung des Signalleiters bei Unterbrechung der Masseebene
Regel 8: Benötigt man eine kapazitive Entkopplung zwischen zwei Leiterbahnen, ist
eine weitere mit Masse verbundene Bahn zwischen diesen anzuordnen (Abb. 4-15).
Sie wirkt für die Kopplung als Hindernis. Gleiches gilt auch für die Anordnung von
Leitungen im Flachbandkabel etc.
Abb. 0-10: Anordnung von Leiterbahnen
Regel 9: Leitungen und Busse die (hochfrequente) Taktsignale führen sollten mit
möglichst großem Abstand zu Ein- und Ausgabe (Input/Output, I/O) Leitungen platziert werden um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden.
Regel 10: Taktleitungen sollten minimiert und so weit wie möglich rechtwinklig (nicht
parallel) zu Signalleitungen geführt werden. Falls Taktsignale von der Platine weggeführt werden müssen, sollte der Taktgeber so nah wie möglich am Platinenanschluss
34
platziert werden. Taktgeneratoren für die betrachtete Platine sollten zentral angeordnet werden, um die Länge der Taktleitungen zu minimieren.
Regel 11: Ausgangskreise sollten mit einem Widerstand, einer Induktivität oder einem Ferrit direkt am Treiberbaustein gedämpft werden.
Regel 12: Bei der Auslegung von Platinen für HF-Anwendungen sind die Verbindungen zwischen den Bausteinen als Übertragungsleitungen mit definiertem angepassten Wellenwiderstand auszulegen. Stoß- und Reflexionsstellen, wie z. B. rechteckige
Leiterbahnverbindungen (Abb. 4-16 a) sind so weit wie möglich zu vermeiden. Diese
stellen eine Impedanzänderung dar, die zu Reflexionen der HF-Signale führen können, wobei die Intensität der Reflexion mit der Frequenz des Signals steigt. Runde
Bögen (Abb. 4-16 b) als Verbindung sind in Fertigung und Design allerdings schwer
zu realisieren. 45° Winkel (Abb. 4-16 c) bilden hier einen guten Kompromiss.
Abb. 0-11: Leiterbahnverbindungen
Regel 13: Nicht angepasste Leitungen länger als λ/10 (λ = Wellenlänge der Taktfrequenz) sind grundsätzlich zu vermeiden! Diese wirken wie Antennen.
Regel 14: Die Anschlussdrähte der Bauteile sollten so kurz wie möglich sein, um die
Serieninduktivität klein zu halten. Wesentlich besseres Verhalten zeigen Oberflächenbauelemente (SMD).
Regel 15: Sind aus einem Logikausgang mehrere verschiedene Bausteine zu bedienen (z.B. bei Taktsignalen), so sollte die Aufteilung auf die einzelnen Bausteine erst
kurz vor den Bausteinen erfolgen (Abb. 4-17). Als Zusatzmaßnahme kann die gemeinsame Leitung noch angepasst werden.
35
Abb. 0-12: Versorgung mehrerer Bausteine mit dem selben Taktsignal
Regel 16: Eingangs- und Lastkapazitäten sollten so möglichst klein gewählt werden.
Damit werden die Ladeströme beim Umschalten reduziert und folglich die Abstrahlung magnetischer Felder sowie auch Masserückleitströme verringert.
4.3. Richtlinien und Normen
Normen und Richtlinien kommen immer dann zum Einsatz, wenn ähnliche oder gleiche Gegenstände oder Verfahren von vielen verschiedenen Personen an verschiedenen Orten genutzt werden. Um einheitliche Grundlagen für diese Gegenstände
und Verfahren zu schaffen, stellt zum Beispiel das Deutsche Institut für Normung e.
V. (kurz DIN), die bedeutendste nationale Normungsorganisation in der Bundesrepublik Deutschland gewisse Grundlagen und Regeln auf.
Für den Bereich der EMV existieren viele Richtlinien und Normen, die beachtet werden müssen. So werden zum Beispiel seit dem 1. Januar 1992 alle Mitgliedsstaaten
der EU verpflichtet, die EMV-Richtlinie 89/336/EWG umzusetzen. Diese Schutzverordnung bezieht sich auf Geräte, die elektromagnetische Störungen verursachen
können oder deren Betrieb durch solche Störungen beeinträchtigt werden können
und legt entsprechende EMV Schutzanforderungen fest.
Nur wenn elektrische Geräte diese Richtlinien erfüllen, bekommen sie die CE Kennzeichnung (Abb. 4-18), die bestätigt, dass sämtliche Mindestanforderungen an diese
Richtlinie erfüllt werden. Seit 1996 dürfen Geräte ohne CE Kennzeichnung nicht
mehr auf dem deutschen Markt verkauft werden.
36
Abb. 0-13: CE-Kennung
Auch für die Messung der EMV-Eigenschaften von Geräten gibt es in Deutschland
diverse Normen:
EN 55011:2009
Störaussendung: ISM-Geräte – Grenzwerte und Messverfahren
EN 55015:2006
+A1:2007 +A1:2009
Störaussendung: elektrische Beleuchtungseinrichtungen
EN 61000-4-2:1995
+A1:1998 +A2:2001
Störfestigkeit gegen die Entladung statischer Elektrizität
EN 55022 : 1994 sowie
A1:1995 / A2:1997
EN 50082-2 : 03.95
Grenzwerte und Messverfahren für Funkstörungen von
Einrichtungen der Informationstechnik.
DIN EN 50082-2 : 02.96 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV);
Fachgrundnorm Störfestigkeit
Teil 2 : Industriebereich
DIN EN 50082-2 : 02.96
[DIN]
Dies sind nur einige Beispiele. Sämtliche aktuell gültige Normen lassen sich beim
Deutschen Institut für Normung12 (kostenpflichtig) bestellen. Des Weiteren gibt es
zahlreiche Normen als Buchform.
Auf die bei diesen Messungen verwendete Norm DIN EN 55025, für Boote und Fahrzeuge, wird im späteren Verlauf (Kap. 6.3 Messungen und Messverfahren) genauer
eingegangen.
12
Deutsches Institut für Normung e. V., http://www.din.de
37
5. Rechnergestützte Entwicklung mit dem Eagle Layout Editor
5. Rechnergestützte Entwicklung mit dem Eagle Layout
Editor
5.1 Eagle Layout Editor
Unter dem Begriff Rechnergestützte Entwicklung fasst man alle Computerunterstützungen bei technischen Prozessen zusammen.
An der Hochschule Bochum wird vom Solarcarteam die Freeware Version des „Eagle
Layout Editors― der Firma CadSoft13 benutzt, um Schaltpläne und Layouts zu erstellen.
Der Name EAGLE ist ein Akronym und steht für:
Einfach Anzuwendender Grafischer Layout Editor
Die Freeware Version (EAGLE Light Edition) ist kostenlos und bietet einige Einschränkungen im Vergleich zur Vollversion. Für die hier aufgefürten Zwecke war diese Version jedoch ausreichend.
Das Programm besteht aus drei Haupt-Modulen
13
-
Schaltplan-Editor
-
Layout-Editor
-
Autorouter
http://www.cadsoft.de
38
5.2 Der Schaltplan-Editor
Abb. 5-0-1: Schaltplan Editor in Eagle
In diesem Modul ist es möglich Bauteile zu platzieren, deren Eigenschaften zu bestimmen, Namen zu vergeben und die Bauteile zu verbinden. Mit diesen Funktionen
lassen sich so auf einfache Weise Elektro-Schaltpläne (Verdrahtungspläne, Klemmenpläne, Kontaktspiegel) zeichnen. Eagle besitzt hierfür bereits eine umfangreiche Bauteilbibliothek. Bauteile, die nicht in den Bibliotheken vorhanden sind, lassen
sich mit dem Bauteileditor erstellen und hinzufügen. Des Weiteren gibt es den Electrical Rule Check (ERC), eine Prüfroutine die sämtliche Verbindungen und Bauteile
auf logische Fehler hin überprüft und auflistet. Der Board-Befehl startet den Layout
Editor und übernimmt diesen Schaltplan.
39
5.3 Der Layout Editor
Abb. 5-0-2: Layout Editor in Eagle
Der Layout Editor wird zum erstellen und designen der Platine benutzt. Hier sieht
man nun die Grundrisse der Platine und die Bauteile. Diese müssen sinnvoll auf der
Platine verteilt werden. Die gelben Luftlinien stellen hierbei die Verbindungen zwischen den Pins der Bauteile dar. Danach müssen die Verbindungen in Form von Leiterbahnen erstellt werden (engl. routen). Neben dem Verlegen der Leitungen per
Hand bietet Eagle auch einen Autorouter.
40
5.4 Der Autorouter
Im Autorouter lassen sich einige grundsätzliche Designregeln und Randbedingungen
festlegen oder auch einfach die voreingestellten benutzen. Das Entflechtungsprogramm (Autorouter) versucht nun mit Hilfe der Designregeln sämtliche Leiterbahnen
auf der Platine zu erstellen. Doch gerade bei umfangreicheren Projekten stößt diese
Methode schnell an ihre Grenzen. Hier muss oftmals von Hand korrigiert und vervollständigt werden.
41
6. Entwicklung eines BMS nach EMV-Richtlinien
In diesem Kapitel werden die einzelnen Schritte von den ersten Überlegungen, der
Herstellung der neuen Platine bis hin zu den EMV Messungen der neuen Platinen
beschrieben.
6.1 Erste Überlegungen
Wie bereits zu Anfang geschildert wurde bei der Entwicklung der Solarfahrzeuge an
der Hochschule Bochum dem Thema der EMV nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Diese Fahrzeuge waren ausschließlich als Rennfahrzeuge konzipiert. Die
Regularien der Rennen forderten auch keine Einhaltung von EMV Normen. Die Veränderung der Fahrzeugkonzepte erfordert alGeschwindigkeit
lerdings eine stärkere Berücksichtigung von
EMV Gesichtspunkten. Mit dem Ziel, alltagstauglichere und sogar straßentaugliche FahrDesign
Zuverlässigkeit
Leichtbau
zeuge herzustellen muss das Thema elektromagnetische Verträglichkeit beim Bau der
Fahrzeuge beachtet werden. Da bei den FahrStraßentauglichkeit
zeugen jedoch nach wie vor die Leichtbauweise ein zentrales Thema ist, soll nach MöglichAbb. 6-0-1: Ziele beim Bau eines Solarfahrzeugs
keit versucht werden auf aufwendige Abschirmungen und Gehäuse zu verzichten. Hierbei steht jedoch nicht nur die Einhaltung
diverser Normen im Vordergrund, sondern vor allem die Zuverlässigkeit der Fahrzeuge im Hinblick auf EMV.
Das nachträgliche Ändern der EMV-Eigenschaften gestaltet sich oftmals sehr
schwierig. Daher sollte bereits bei der Planung über ein geeignetes Konzept nachgedacht werden. Die nachfolgende Pyramide (Abb. 6-2) zeigt anhand der Breite einer
Schicht die Wichtigkeit und auch den planerischen und gedanklichen Aufwand bei
dem Entwurf einer Platine.
42
Filter
Geräteschirmung
EMV-Gerechte
Verdrahtung
EMV-Gerechter Platinenaufbau
Auswahl Logikfamilien, Bausteine
EMV-Gerechter elektrischer und mechanischer
Aufbau, Festlegung des Massungskonzeptes
Abb. 6-0-2: EMV-Pyramide [KG09]
Als Testplatine wurde das oben beschrieben BMS07 gewählt. Diese weist aus EMV
technischer Sicht, wie auch die anderen selbst hergestellten Platinen, einige Mängel
auf.
43
6.2 Messungen im EMV Raum
Seit 2007 steht der Hochschule Bochum ein
neues Labor in dem EMV-Messungen durchgeführt werden zur Verfügung. Das Prüflabor besteht aus einer Messkabine (auch Absorber-Raum genannt, da es elektromagnetische
Strahlen absorbiert und nicht reflektiert) und
einem Kontrollraum. Vom Kontrollraum aus
können alle Messungen in der Messkabine gesteuert werden. Bei der Messkabine handelt es
Abb. 6-0-3: EMV Raum der Hochschule Bochum
sich um einen Fully-Absorberraum der Firma
14
H&H mit folgenden Abmessungen: Länge 6,7m, Breite 4,5m, Höhe 3,7m. Der
Raum ist komplett mit Ferritkacheln und zusätzlich mit Pyramidenabsorbern (30cm)
ausgekleidet. Eine ausführliche Beschreibung des normgerechten Aufbaus des
sorberraums und der Messungen findet sich in der Bachelorarbeit von Herrn Patrick
Braun [PB10].
Für die Versuchsreihen kommt ein Rohde & Schwarz 15
Messsystem zum Einsatz. Dieses besteht aus zwei
sempfängern, mit denen ein Frequenzbereich von 9 kHz
bis 1,3 GHz empfangen werden kann. Der ESH3 kann
Frequenzen von 9 KHz bis 30 MHz empfangen und wird
außerdem für die leitungsgebundene Störaussendung
benutzt. Der ESVP ist für Frequenzen von 20 MHz bis 1,3
GHz geeignet und wird neben den leitungsgebundenen
Messungen auch für die gestrahlte Störaussendungsmessung verwendet. Die Messempfänger (Abb. 6-4) können entweder manuell gesteuert werden, oder über einen
PC mit der Software „ES-K1― der Firma Rhode &
Schwarz.
Neben einem Pulsbegrenzer, der die Empfänger vor Abb. 6-0-4: Messempfänger und
Zerstörung durch Spannungsspitzen schützt und zwei
Generator
Netznachbildungen, die ein Versorgungsnetz nachbilden, gehören noch zwei Antennen zum Messaufbau. Für die gestrahlte Störaussendung kommt in einem Frequenzbereich von 20 MHz bis 200 MHz eine bikonische
14
15
H&H: http://www.hundh-highvoltage.de
www.rohde-schwarz.de
44
Antenne zum Einsatz. Für höhere Frequenzen von 200 MHz bis 1 GHz wird eine
logarithmisch-periodische Antenne (kurz: LogPer Antenne) benötigt (Abb. 6-5).
Für Störaussendungsmessungen kommt ein Frequenzgenerator der Firma Rhode
& Schwarz, ein Messverstärker und die LogPer Antenne zum Einsatz.
Bikonische Antenne für
Frequenzen von 20 MHz
bis 200 MHz
LogPer Antenne für
Frequenzen von 200
MHz bis 1 GHz
Netznachbildung (ohne
Abdeckung) zur Unterdrückung
evtl. vorhandener hochfrequenter
Störungen vom speisenden Netz
Abb. 6-0-5: Messequipment an der Hochschule Bochum
Des Weiteren gehört eine Feldsonde oder auch Schnüffelsonde (Abb. 6-6) zur Laborausstattung. Diese wird zum Überwachen der Feldstärke bei
Störfestigkeitsmessungen verwendet. Ein punktuelles Sondieren
der Testplatine ist damit nicht möglich. Trotz eines konstanten
Abstandes schwanken die Werte und es lässt sich somit keine
Aussage über die Strahlung einzelner Bereiche treffen.
Abb. 6-0-6: Feldsonsde
45
6.3 Messaufbau und Messverfahren
Den durchgeführten Messungen wurde die DIN EN 55025 zugrunde gelegt. Sie trägt
den Titel:
„Fahrzeuge, Boote und von Verbrennungsmotoren angetriebene Geräte - Funkstöreigenschaften - Grenzwerte und Messverfahren für den Schutz von an Bord befindlichen Empfängern“.
Nach diesen Richtlinien werden alle Fahrzeuge geprüft, die für den Straßenverkehr
in Deutschland zugelassen werden. Somit eignet sie sich auch für die Prüfung der
Solarcarkomponenten. Einige Fahrzeughersteller haben basierend auf dieser Norm
eigene, teilweise strengere Normen eingeführt.
Die Maximalwerte für die einzelnen Messungen lassen sich in der Software ES-K1
eintragen und als Grenzwerte darstellen.
Bei allen Messungen muss der Prüfling angeschlossen sein und unter möglichst ähnlichen Bedingungen arbeiten, wie dies auch im normalen Einsatz der Fall ist. Die nun
folgenden Messungen werden in der Regel auch in der aufgeführten Reihenfolge
durchgeführt. Die Maximalwerte der DIN EN 55025 werden in den Messergebnissen
als rote Linie dargestellt.
46
6.3.1 Leitungsgeführte Messungen
Abb. 6-0-7:Leitungsgeführte Messung [DIN55025]
Leitungsgebundene Störungen werden von der Störquelle direkt über Versorgungsoder Signalleitungen zur Störsenke übertragen. Um diese zu messen wird der Messempfänger an einer der beiden Netznachbildungen angeschlossen. Hierbei lassen
sich die leitungsgebundenen Störungen an der Versorgungsleitung und an der Masseleitung messen.
47
6.3.2 Gestrahlte Messung mit der bikonischen Antenne
Abb. 6-0-8: Gestrahlte Messung mit der bikonischen Antenne [DIN55025]
Bei der gestrahlten Messung im unteren Frequenzbereich wird die bikonische Antenne benutzt. Sie fängt feldgebundenen Störungen auf. Diese werden zum Beispiel als
elektromagnetisches Feld abgestrahlt und von Leitern die wie Antennen wirken aufgefangen.
48
6.3.3 Gestrahlte Messung mit der LogPer Antenne
Abb. 6-0-9: Gestrahlte Messung mit der LogPer Antenne [DIN55025]
Dieser Aufbau zeigt die Störfestigkeitsmessung in höheren Frequenzbereichen.
Nach dem normgerechten Aufbau sind allerdings noch zwei Kontrollmessungen nötig, bevor man mit dem eigentlichen Prüfling beginnen kann. Mithilfe der Leer- und
Referenzmessung lassen sich evtl. Ungenauigkeiten und Fehler der Messung dar49
stellen. Bei diesen Messungen wird der Prüfling nicht mit Spannung versorgt. Bei der
Referenzmessung bleibt die Tür der Absorberkammer geöffnet. Bei der Leermessung hingegen muss die Tür vom Absorberraum geschlossen werden.
Die Software ES-K1 stellt die Messergebnisse als Spektrum in µV/m über die Frequenz dar. Zur besseren Darstellung wurde der Pegel logarithmisch dargestellt
(dBµV/m). Die Frequenz wird hier in Hertz [Hz] angegeben.
Abb. 6-0-10: Leer und Referenzmessung im Absorberraum
Der grüne Verlauf stellt die Ergebnisse der Leermessung dar. Da die Tür geschlossen ist und der Prüfling nicht arbeitet, zeigen diese Werte Störungen und Messungenauigkeiten auf, die durch die verwendete Ausrüstung verursacht werden.
Bei der Referenzmessung mit geöffneter Tür (hier blau) erkennt man im Bereich von
80 MHz bis 110 MHz deutliche „Störungen―, die sogar die Grenzen der DIN EN
55025 überschreiten, welche hier als rote waagerechte Linien eingezeichnet sind.
Diese Störungen sind Radio und TV Sender, die uns ständig umgeben. Des Weiteren können Strahlungen von Mobiltelefonen oder anderen elektrischen Geräten von
außerhalb der Absorberkammer aufgenommen werden. Im Idealfall unterscheiden
sich die beiden Messungen nur geringfügig. Diese Messungen lassen sich für alle
Störaussendungsmessungen nach DIN EN 55025 durchführen.
50
6.3.4 Messung der Störfestigkeit
Abb. 6-0-11: Messung der Störfestigkeit [DIN55025]
Bei der Messung der Störfestigkeit erzeugt der Generator ein Signal, welches von
einem Verstärker auf eine Feldstärke von 20 V/m erhöht wird. Dieses Signal wird von
der Antenne ausgesendet und trifft auf den Prüfling. Um sicherzustellen, dass auch
die gewünschte Feldstärke an der zu messenden Komponente anliegt, kann man
eine Feldsonde am Prüfling positionieren. Diese ist nun in der Lage über die Steuerungssoftware die Sollfeldstärke nachzuregeln.
Während der Messung der Störfestigkeit ist der Zutritt zum Absorberraum verboten!
51
Diese Messungen wurden während der Versuchsreihen jedoch nicht durchgeführt,
da zum damaligen Zeitpunkt ein geeignetes System zur Überprüfung des BMS nicht
vorhanden war. Um die vom BMS ermittelten Werte auszulesen benötigt man bei
EMV Messungen ein System, welches die CAN-Nachrichten über einen Lichtwellenleiter aus dem Absorberraum hinausführt. Normale CAN-Leitungen würden die Messung verfälschen. Jedoch ist davon auszugehen, dass ein optimiertes Leiterplatinendesign sich sowohl auf die Störaussendung als auch auf die Störfestigkeit auswirkt.
Diese Messungen werden zu einem späteren Zeitpunkt nachgeholt.
Auf eine detaillierte Darstellung der oben aufgeführten Messungen und Versuchsaufbauten wurde hier bewusst verzichtet, da dies den Umfang dieser Arbeit überschreiten würde. Jedoch befindet sich im EMV-Labor eine ausführliche Anleitung, die im
Rahmen der Diplomarbeit von Herrn Lukas Heeck erstellt wurde.
6.4 Erste Messungen des BMS
Als erster Schritt wurde das BMS auf gestrahlte Störaussendung im unteren Frequenzbereich überprüft. Hierbei zeigt sich, dass das Modul vor allem im Frequenzbereich von ca. 120 MHz bis 200 MHz die Maximalwerte der DIN EN 55025 (rote Linie)
überschreitet.
Abb. 6-0-12: Erste Messung des Original-BMS im unteren Frequenzbereich
52
Auch bei höheren Frequenzen (200 MHz bis 1 GHz) lassen sich deutliche Störaussendungen feststellen.
Abb. 6-0-13: Erste Messung des Original-BMS im oberen Frequenzbereich
53
6.5 Analyse der BMS Platine
Betrachtet man die Platine von beiden Seiten, fallen einem einige für die EMV negative, aber auch positive Dinge auf:
Abb. 6-0-14: Negative und positive Punkte am Original-BMS
Einige wichtige Punkte wurden farblich markiert.
Negativ:
1. Der DC/DC W andler und der Quarz: EMV Störungen werden hauptsächlich durch
Bauteile, die mit einer Frequenz arbeiten hervorgerufen.
Ein DC/DC Wandler (oder auch Gleichspannungswandler) wandelt die Spannung
durch kurze Schalttakte in eine andere Spannung. Der Verbaute DC/DC Wandler
dient zur Stabilisierung der Spannung und wandelt die Eingangsspannung von ca.
5V auf 5V stabilisierte Ausgangsspannung durch schnelle Schaltvorgänge um. Diese
Schaltvorgänge können Störungen verursachen.
54
Der auf dem BMS verbaute Quarz gibt eine Frequenz von 8 MHz aus. Diese werden
für den CAN Controller und den Atmel Microcontroller bereitgestellt. Der Atmel hat zwar einen einstellbaren internen Oszillator, der alternativ verwendet werden kann, jedoch typischerweise nicht über eine hinreichende Frequenzstabilität verfügt. Mit Hilfe einer externen Signalquelle lässt sich so die Taktgenauigkeit der gesamten Schaltung erhöhen.
Dabei ist darauf zu achten, dass der Quarz immer so nah wie möglich an den Bauteilen, für
Abb. 6-0-15: 8 MHz Sinusfrequenz vom Quarz
die er gebraucht wird, verbaut wird. Lange Leiterbahnen übertragen die Schwingungen des Quarzes auf das ganze System. Des
Weiteren ist es sinnvoll einen Quarz mit besonderen Schirmungsmaßnahmen zu versehen.
2. Länge der Leiterbahnen: Leiterschleifen und unnötige Wege sollen nach Möglichkeit vermieden werden. Leitungen länger als λ / 10 (wobei λ = Wellenlänge) sollten
ganz vermieden werden (siehe Kapitel 2.5).
Bei einem vorgegebenen Takt von 8 MHz gilt für die Wellenlänge λ, der folgenden
Zusammen zwischen der Frequenz f, und der Vakkuumlichtgeschwindigkeit c:
Für die betrachtete Frequenz folgt somit
Bei der (relativ niedrigen) Frequenz von 8 MHz ergibt sich eine maximal erlaubte Leiterbahnlänge von 3,75 m. Solche Maße sind auf einer Platine dieser Größe kaum zu
erreichen. Dennoch gilt: je kürzer die Leiterbahnen, desto geringer die Störungen!
55
3. Führung der Leiterbahnen: Rechte Winkel und Knicke bilden Stoßstellen und können getaktete Signale regelrecht reflektieren. Besonders stark macht sich dieser Effekt bei hochfrequenten Schaltungen bemerkbar.
Positives:
Einige Grundregeln des EMV gerechten Designs fanden bei der betrachten Platine
bereits Beachtung. Die Bauteile sind in Gruppen eingeteilt und entsprechend positioniert (Spannungsversorgung und Signalverarbeitung), Leiterbahnen für die Spannungsversorgung haben eine ausreichende Dicke und es wurden, wie in den Datenblättern der Bauteile empfohlen, Abblockkondensatoren (4
4.) verbaut. Digitale ICs
ziehen impulsweise sehr hohe Ströme, was zu einem Einbruch der Versorgungsspannung führen kann. Dies kann sich störend auf andere Teile der Schaltung auswirken. Ein Kondensator kann Energie speichern und sie sehr schnell wieder abgeben, wenn plötzlich viel Strom benötigt wird. Dadurch wird die Spannung im Rest der
Schaltung stabiler gehalten und EMV-Probleme werden minimiert.
Diese sollten jedoch so nah wie Möglich an den Anschlusspins des entsprechenden
Bauteils verbaut sein, da lange Leitungen hohe Induktivitäten besitzen und den
Stromtransport behindern.
Dieser Wandler ist neben der internen Filterung durch Kondensatoren zusätzlich mit
einer Drossel versehen und befindet sich abseits der Signalelektronik. Somit ist die
Positionierung als positiv zu bewerten.
56
7. Planung und Herstellung eines neuen BMS
7.1 Designen von Leiterplatinen
Die vorangegange ausführliche Analyse der bestehenden Platine bildet die Grundlage für eine EMV gerechte Neuentwicklung. Hiebei sollen die gleichen Bauteile wie im
Original-BMS verwendet werden. Neben den EMV spezifischen Designregeln müssen auch noch fertigungstechnische Regeln beachtet werden. So lassen sich in der
Hochschule Bochum Leiterbahnen kleiner als 0,4 mm und Vias (Durchkontaktierungen, an denen die Leiterbahn vertikal den Layer wechselt) mit Bohrradius kleiner als
0,8 mm nicht herstellen. Der Abstand zwischen Bauteilen und Leiterbahnen (engl.
Isolate / Clearance) sollte mindestens 0,6 mm betragen.
7.1.1 Fertiges Design des Original-BMS
Abb. 7-0-1: Layout des Original-BMS in Eagle
57
Die Abbildung zeigt die Darstellung des fertigen Designs in Eagle. Alle rot eingezeichneten Verbindungen befinden sich auf der Oberseite der Platine (engl. Top
Layer), die blauen auf der Unterseite (engl. Bottom Layer). In grau werden die Bezeichnungen, Formen und Werte der Bauteile dargestellt. Die Software ermöglicht
das Ausblenden von einzelnen Teilen oder Layern.
7.2 Herstellung der Platinen
An der Hochschule Bochum wird zurzeit ein „Zentrales Elektronik Labor― (kurz:
„ZEL―) eingerichtet. In diesem Labor sollen zukünftig Schulungen und Lehrgänge
zum Thema Platinen und Elektronik abgehalten werden. Hier wird es die Möglichkeit
geben, Platinen komplett selber zu fertigen. Ein Großteil der Grundausstattung ist
bereits vorhanden (Stand Oktober 2010) und ermöglichte die Platinenherstellung im
Rahmen dieser Arbeit.
Im ersten Schritt werden die Layouts in das Gerberformat umgewandelt. Die Gerberdatei ist eine Standard-Dateistruktur im ASCII-Format16, die den Datenaustausch
zwischen Entwicklungssoftware (CAE) und Produktion ermöglicht.
Mit Hilfe der Gerberdaten wird das Layout gespiegelt auf eine Folie gedruckt. Das
Spiegeln der Vorlage macht es möglich, dass die Maske möglichst dicht an die Fotoschicht herankommt, da beim gespiegelten Druck die bedruckte Seite direkt auf der
Fotoschicht der Platine aufliegt. Dies vermindert später beim Belichten Fehler und
sorgt für eine höhere Randschärfe. Die beste Qualität (hoher Kontrast) erreicht man
mit einem professionellen Plotter.
Im nächsten Schritt muss die Platine gewählt werden. Hier gibt es verschiedene nichtleitende Basismaterialien, auf die beidseitig eine dünne Kupferschicht aufgebracht
ist.
FR-1 Low-end Platinen werden aus mit Phenol-Formaldehyd-Kunstharz getränktem Papier hergestellt. Tg = 130°C
FR-2 Low-end Platinen werden aus mit Phenol-Formaldehyd-Kunstharz getränktem Papier hergestellt. Tg = 105°C
FR-3 Dieses Material besteht aus mit Epoxid-Kunstharz getränktem Papier. Tg
= 105°C
FR-4 Dieses Material besteht aus mit Epoxid-Kunstharz getränktem Glasfasergewebe. Tg = 105°C
16
ASCII - American Standard Code for Information Interchange
58
FR-5 Dieses Material besteht aus mit Epoxid-Kunstharz getränktem Glasfasergewebe. Tg = 160°C
HF Hier werden Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante eingesetzt. Z.B Teflon, Polimide oder Polystyrol.
Hierbei bezeichnet TG die Glass Transition Temperature (Temperatur ab der das
Material weich wird, die maximale Betriebstemperatur liegt tiefer). [WILP]
Es gibt natürlich auch andere Basismaterialien für Spezialanwendungen. Die oben
aufgeführten sind aber Standard und in den meisten Elektronikfachmärkten in verschiedenen Größen verfügbar. Die verbreiteteste ist FR-4, da diese das beste Preis/ Leistungs-Verhältnis bietet. Die Kupferbeschichtung ist üblicherweise 35μm dick, für
hohe Ströme selten auch 70μm. Auch hier gibt es Sonderformen.
Die Platinen lassen sich mithilfe von Hebelscheren, Stich- oder Kreissägen, elektrischen Fliesenschneidern oder auch einer Laubsäge auf die gewünschte Größe zuschneiden.
7.2.2 Belichten
Die Kupferschicht der Platine ist mit einem Fotolack überzogen. Bei diesem Lack härten die belichteten Stellen der Platine beim Entwickeln nicht aus und können abgewaschen
werden. Man klebt also nun seine Folie auf die Platine und
belichtet diese mit UV Licht. Im ZEL gibt es einen speziellen
Belichter für Platinen. Hier wird eine Folie über die Platine
mit Layout gespannt und ein Vakuum erzeugt. Dies sorgt
dafür, dass das Layout gleichmäßig auf der Platine aufliegt
Abb. 7-0-2: Gedruckte Layouts
und somit gleichmäßig belichtet wird. Die richtige Entwickim Belichter
lungszeit richtet sich nach Typ und Hersteller der Platine und
der Qualität des gedruckten Layouts. Hier ist Erfahrung von Vorteil.
Neben diesem Fotopositiv Verfahren existiert noch ein nicht so verbreitetes Fotonegativverfahren! Beim Fotonegativ-Lack härten die belichteten Stellen der Platine
beim Entwickeln aus. Die nicht belichteten Stellen können dann abgewaschen werden, daher muss das Layout als Negativ gedruckt werden.
59
7.2.3 Entwickeln und Ätzen
Beim Entwickeln und Ätzen muss auf richtigen Umgang mit den potentiell
chen Chemikalien geachtet werden. Schutzkleidung, sparsamer Umgang und richtige Entsorgung der Chemikalien sind
Grundvoraussetzungen.
Abb. 7-0-3:
Sprühätzanlage der Hochschule Bochum
Nachdem die belichtete Platine kurz in Entwickler (PositivEntwickler oder Ätznatron (Natriumhydroxid, NaOH)) getaucht
oder geschwenkt und abgewaschen wurde, muss sie geätzt
werden. Im ZEL gibt es dafür eine spezielle Sprühätzanlage
bei der sich die Dauer und die Temperatur des Ätzprozesses
einstellen lassen. Diese Werte richten sich nach den Herstellerangaben und Erfahrungswerten. Die durch das Entwickeln
vom Fotolack befreiten Stellen werden nun durch die Säure
entfernt und es bleiben nur die Leiterbahnen zurück. Als Ätzmittel wird häufig Salzsäure, Natriumpersulfat oder Eisenchlorid
verwendet.
Hier ist es wichtig, mit besonders großer Sorgfalt zu arbeiten und das Ergebnis genau zu kontrollieren. Fehler durch zu lange Belichtung, zu lange Entwicklung oder zu
intensives Ätzen machen sich in angegriffenen oder überätzten Leiterbahnen bemerkbar. Werden Zeitangaben unterschritten bleiben Kupferrückstände auf der Platine zurück und machen sie somit unbrauchbar (Abb. 7-4).
Platine mit
Kupferrückständen
Sauber geätzte
Platine
Abb. 7-0-4: Ätzergebnisse
60
7.2.4 Bohrungen und Durchkontaktierung
Die geätzte und gereinigte Platine muss noch gebohrt und durchkontaktiert werden.
Oft werden diese Arbeiten von Hand erledigt. In der Industrie werden die Löcher mit
Hilfe von Portalfräsen oder CNC Bohrern gebohrt und die Durchkontaktierungen
chemisch durch Galvanisierung der Lochwände (Metallisierung) hergestellt.
Für das händische Bohren empfiehlt sich eine Ständerbohrmaschine mit feinfühliger
Ständermechanik und hoher Drehzahl. Mit einer entsprechenden Bohrergröße (meist
0,8 mm) werden nun alle Löcher in die Platine gebohrt. Sämtliche Vias müssen nun
durchkontaktiert werden. Dies kann mit kurzen Drahtstücken geschehen. Im ZEL gibt
es hierfür spezielle Hohlnieten in verschiedenen Größen. Diese werden durch die
Löcher geführt und von der anderen Seite mit einem Dorn festgepresst. Um guten
Kontakt zu den Leiterbahnen herzustellen empfiehlt es sich auch Löcher für bedrahtete Bauteile mit Nieten in passender Größe zu versehen und alle Durchkontakrierungen beidseitig nachzulöten. Nieten können sich im Laufe der Zeit mechanisch verformen (z. B. durch Temperaturunterschiede) oder beim Einsetzen Leiterbahnen
durchtrennen. Hierdurch entstehen Fehler, die im Nachhinein schwer zu finden und
schwer zu beheben sind.
Bohren der Löcher
Nieten für Durchkontaktierungen
Abb. 7-0-5: Arbeitsschritte bei der Herstellung einer Platine
61
7.2.5 Bestückung der Platine
Für die Platine sollte im Vorfeld immer eine Bauteilliste angefertigt werden, um den
Bauteilbedarf genau planen zu können.
Die Bestückung der Platine erfolgt bei pinbasierten Bauteile mit einem regelbaren
Lötkolben mit dünner Spitze. Für die SMD17 Bauteile bietet sich die Verwendung einer Reflow Lötstation an (Abb. 7-6).
Bei dieser Lötstation wird die Leiterplatine von unten mit
einem Gebläse auf eine voreingestellte Temperatur erhitzt. Auf die Lötstellen (Lötpads) wird das Weichlot in
Form von Lötpaste vor der Bestückung auf die Platine
aufgetragen. Dies geschieht entweder mit einer kleinen
Spritze oder einer Schablone. Nun wird die Platine mit
den SMD-Bauteilen bestückt. Mittels eines InfrarotlötkolAbb. 7-0-6: Reflow-Lötstation
bens wird die Lötpaste aufgeschmolzen. Das Bauteil zentriert sich in der Regel selbst. Ist dies nicht der Fall (häufig bei bleifreier Lötpaste),
empfiehlt sich die Reinigung der entsprechenden Stelle und erneutes Auftragen von
Lötpaste. Nach dem Abkühlen sind alle Lötstellen zu kontrollieren. Neben der optischen Kontrolle empfiehlt sich eine Überprüfung der Lötstellen mit einem Multimeter
im Durchgansprüfmodus. Befinden sich noch Flussmittelrückstände auf dem Lötpad
entsteht kein elektrischer Kontakt obwohl die Lötstelle sauber aussieht.
Wurden alle Bauteile verlötet folgt der Funktionstest. Arbeitet die Platine nicht wie
erwartet, obwohl alle Lötstellen und Verbindungen optisch und elektrisch in Ordnung
sind, muss eine aufwendigere Fehlersuche betrieben werden. Hierfür sind mindestens ein Multimeter und der Schaltplan erforderlich.
Die systematische Überprüfung der folgenden Punkte hat sich dabei bewährt:
-
Liegt überall die richtige Spannung an (systematische Prüfung nach Sachaltplan)
-
Sind alle passiven Bauteile in Ordnung (Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten, Dioden und Sicherungen etc. lassen sich mit dem Multimeter prüfen).
-
Arbeiten alle aktiven Bauteile (Frequenzen von Ein- und Ausgangssignalen
von ICs und Quarzen kontrollieren)
17
SMD: surface-mounted device (deutsch: oberflächenmontierbares Bauelement)
62
8. Verschiede BMS-Versionen im EMV-Labor
Insgesamt wurden fünf verschiede Versionen im EMV-Raum vermessen. Im nachfolgenden Abschnitt werden die einzelnen BMS-Versionen und ihre Unterschiede erläutert. Zur Vereinfachung werden sie im späteren Verlauf als „BMS X (X = fortlaufende
Nummer 1-5)― bezeichnet. Je höher die Nummer, desto umfangreicher sind die Veränderungen. Es wird angenommen, dass sich die EMV Eigenschaften analog zu den
Veränderungen mit aufsteigender Nummer verbessern.
Um die Versionen besser unterscheiden zu können, werden sie im Fließtext farblich
gekennzeichnet. Die selben Farben werden auch für die Kurven in den Diagrammen
verwendet. So soll ein Bezug zwischen den Kurven und den BMS Versionen erleichtert werden.
8.1 Verschieden Versionen des BMS in der Übersicht
BMS 1
Die erste Version ist im Prinzip das Original-BMS, bei dem die Abblockkondensatoren ausgelötet wurden. Die Abblockkondensatoren werden in den Datenblättern vieler Bauteile als wichtige Maßnahme zur besseren EMV und Funktionsweise angeraten und wurden bei dem Original-BMS umgesetzt. Es wird angenommen, dass durch
das Entfernen der Abblockkondensatoren die Platine schlechtere EMVEigenschaften aufweist.
BMS 2
Das BMS 2 ist das Original-BMS, welches in Kapitel 6.5 bereits mit seinen Vor- und
Nachteilen beschrieben wurde.
63
BMS 3
Abb. 8-0-1: Layout von BMS 3 in Eagle
Das BMS 3 hat ein komplett überarbeitetes Layout. Die Hauptunterschiede zu dem
originaldesign bestehen in wesentlich kleineren Abständen zwischen Quarz – CanController und Atmel IC. Die Abblockkondensatoren wurden so nah wie möglich an
die Pins gebracht. Unter dem Can-Controller und dem IC wurden nun Masseflächen
verlegt. Somit gibt es weder strom- noch signalführende Leitungen unter diesen
Bausteinen. Dadurch soll die Übertragung des Arbeitstaktes auf andere Leiterbahnen
vermieden werden.
Des Weiteren mussten sämtliche Leiterbahnen neu verlegt werden. Hier wurde auf
möglichst kurze Verbindungen und möglichst kleine Leiterschleifen geachtet.
64
Abb. 8-0-2: BMS 3 von beiden Seiten
65
BMS 4
Abb. 8-0-3: Layout von BMS 4 in Eagle
Beim BMS 4 wurden die Veränderungen noch durch eine Massefläche auf dem Top
Layer der Platine ergänzt. Außerdem wurde der Quarz mit einer Massefläche auf der
Unterseite und einer lokalen Masseinsel auf der Oberseite versehen (Guard Ring).
Die Optokoppler wurden direkt, also ohne Sockel auf die Platine gelötet, um Abstände zu verkürzen und so elektromagnetische Abstrahlungen durch potenzielle Antennen zu verringern. Auch hier wurden die kompletten Leiterbahnen unter Beachtung
von EMV-Designrichtlinien neu verlegt.
66
Abb. 8-0-4: BMS 4 von beiden Seiten
BMS 5
Für das BMS 5 wurde das BMS 4 um Ferritkerne für die
Versorgungsleitungen und die Temperatursensoren sowie
einem Gehäuse aus Metall ergänzt. Das Gehäuse besteht
hierbei aus einer Metallbox die in die Kabelanschlüsse
eingebracht wurden.
Werden bei elektronischen Geräten Nutzsignale über ein
Kabel gesendet entstehen entstehen Magnetfelder um
Abb. 8-0-5: Schirmung mit Metallgediese Kabel herum. Aber auch Störsignale erzeugen Felhäuse und Ferritkern
der. Das Nutzsignal liegt als Gegentaktsignal an (z. B.
Versorgung + und Masse -) und die Magnetfelder heben sich gegenseitig auf (galvanische kopplung). Die Störung wird jedoch als Gleichtaktstörung aus dem Gerät geführt.
67
Hier kommt ein Ferritkern (Abb. 8-6) zum Einsatz. Dieser besteht im
einfachsten Fall nur aus einem durch einen Ring- oder Lochkern
hindurchgeführten Draht oder einer elektrischen Leitung. Wie bei
einer Spule erhöht er die Induktivität und führt das magnetische
Feld. Für die Gleichtaktstörung wirkt diese Anordnung durch ihre
Induktivität wie eine Drossel mit einer bzw.
Abb. 8-0-6: Ferritring
mehreren Windungen. Das Nutzsignal jedoch
sieht keine Induktivität, da sich die Magnetfelder der auf verschiedenen Adern innerhalb des Kabels hin- und rückfließenAbb. 8-0-7: USB Kabel mit
den Ströme kompensieren.
Ferritring
Metallisch leitende Gehäuse dienen vor allem der Abschirmung von elektrischen und
elektromagnetischen Feldern. Diese Felder werden teilweise absorbiert und teilweise
reflektiert. Das Gehäuse sollte elektrisch gut geerdet sein, damit die induzierten Störströme ungehindert über die Masse abfließen können. Öffnungen sollten möglichst
klein und rund gehalten werden und Schlitze ganz vermieden (Abb 8-8).
Pfeile stellen die
Schirmströme dar
Ein rechtwinkliger Schlitz
behindert die Schirmströme.
Der Schlitz wirkt wie eine
Schlitzantenne
Eine größere Anzahl kleiner
Löcher behindert die
Schimströme weniger ->
bessere Schirmwirkung
Abb. 8-0-8: Ausschnitt aus der Schirmfläche [RW09]
Zur Abschirmung niederfrequenter oder konstanter Magnetfelder können weichmagnetische Werkstoffe, d. h. ferromagnetische Materialien hoher Permeabilität
(magnetische Durchlässigkeit) und geringer Remanenz (zurückbleibender Magnetismus) verwendet werden. Bei guter elektrischer Leitfähigkeit wirkt die magnetische
Abschirmung auch gleichzeitig elektrisch abschirmend. Ein besonders für diese Zwecke geeigneter Werkstoff ist das hochpermeable, sogenannte Mumetall (NickelEisen-Legierung).
68
Ein Gehäuse beseitigt jedoch nicht die elektromagnetischen Aussendungen einer
Platine, da es nicht die Ursache behebt, sondern nur die Wirkung nach außen hin
verringert. Interner Störungen auf der Platine selbst können weiterhin auftreten. Lediglich die Störfestigkeit gegenüber Strahlungen von außen wird verbesert.
8.2 Messergebnisse
Im folgenden Kapitel werden die Messergbnisse dargestellt und analysiert. Es wird
die in Kapitel 6.3.4 beschriebene Reihenfolge beibehalten. Die waagerechte rote Linie stellt bei allen Messungen wieder die Grenzwerte der DIN EN 55025 dar.
8.2.1 Erste Messung: Leitungsgebunde Störaussendung von 150 KHz bis 20
MHz
Abb. 8-0-9: Ergebnisse der Störaussendungsmessung von 150 KHz bis 20 MHz
—— BMS 1 ohne Abblockkondensatoren
—— BMS 2 Original
—— BMS 3 erster Neuentwurf
—— BMS 4 zweiter Neuentwurf
—— BMS 5 mit Gehäuse und Ferritringen
—— Grenzwerte nach DIN EN 55025
69
Betrachtet man den Frequenzbereich von 100 KHz bis 1 MHz, fallen viele
mäßige Peaks bei allen 5 Messungen auf. Doch woher kommen diese Werte? Der
Quarz arbeitet bei 8 MHz und sollte bei allen Versionen eine feste Frequenz einhalten. Messungen mit dem Oszilloskop ergaben, dass diese
Störungen trotz vieler Abblock- und Filtermaßnahmen vom
DC/DC Wandler erzeugt werden. Dieser arbeitet laut Datenblatt (siehe Anhang C) mit einer Restwelligkeit von maximal
150 mV bei einer Frequenz von mindestens 80 MHz und
streut diese in den Stromkreis mit ein.
Abb. 8-0-10: Messungen mit dem
Oszilloskop
Bei diesem Screenshot des Oszilloskop-Bildes sieht man
deutlich den unregelmäßigen Verlauf des
DC/DC Wandler Ausganges. Wie bei allen
Schaltnetzteilen oder Spannungswandlern
steigen die Herstellungskosten je kleiner
die Toleranzen werden. Die auf dem BMS
verbauten DC/DC Wandler sind günstige
Massenware mit einer Regelabweichung
von ± 5% der Ausgangsspannung.
Die lastabhängige Schwankungsfrequenz
des Wandlers beträgt bei dem aktuellen DeAbb. 8-0-11: Oszilloskopbild -Takt des DC/DC Wandlers
sign 102.6 KHz (Abb. 8-11). Diese Welligkeit
verteilt sich über die Platine und wird teilweise überlagert und reflektiert. Dies erklärt
die unregelmäßigen Störungen in diesem Frequenzbereich.
Möchte man dieses Bauteil unbedingt beibehalten hilft hier nur die Konsequente Filterung oder Ableitung dieser Störungen. Direkt an dem Bauteil wurde wie vorher bereits angesprochen zusätzlich zu der Filterung durch den Hersteller, in Form von
Kondensatoren, noch zusätzlich 2 Abblockkondensatoren und 2 Induktivitäten verbaut. Diese LC-Filter (Spule in Reihe und Kondensator gegen Masse)
oder auch Tiefpassfilter lassen Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz fg passieren. Höhere Frequenzen werden gedämpft. Als guter
Wert eignet sich 1/10 der Schaltfrequenz.
Abb. 8-0-12: Drossel am
DC/DC Wandler
70
Mit der Formel:
nach [JF08]
ergibt sich mit der Kapazität C und der Induktivität L der Bauelemente die Grenzfreqeunz fg zu:
Da wie im Beispiel oben die Frequenz bei etwas über 100 KHz liegt ist dieser bereits
optimal ausgelegt. Als weitere Maßnahmen bieten sich Ferritringe zur Abschirmung
gegenüber dem Versorgungsnetz und Optimierung des Leiterbahndesigns an.
Schaut man sich einen kleineren Bereich genauer
an, erkennt man, dass BMS 1 und BMS 2 teilweise die Grenzwerte überschreiten. Das BMS 3 mit
dem neuen Layout und das BMS 5 mit Ferritkern
und Gehäuse zeigen hier wie angenommen deutlich bessere Werte. Lediglich BMS 4 mit beidseitiger Massefläche weist teilweise stärkere und
vermehrte Peaks auf. Ein Grund dafür könnte
sein, dass sich die Störungen auf den beidseitig
angebrachten Masseflächen verteilen und somit
eher induktiv auf andere Leiterbahnen diese Störungen übertragen. Jedoch besteht auch diese
Version die Anforderungen der DIN EN 55025.
Abb. 8-0-13: 500 KHz – 1 MHz
71
Auch bei Frequenzen um 8 MHz zeigen sich die
oben beschriebenen Effekte recht deutlich.
Abb. 8-0-14: 7,5 bis 8,5 MHz
72
8.2.2 Zweite Messung: Leitungsgebunde Störaussendung von 20 MHZ bis 108
MHz
Abb. 8-0-15: Ergebnisse der leitungsgebunden Störaussendungsmessung von 20 MHZ bis 108 MHz
Auch hier erkennt man, dass sich die Werte der BMS im Verhältnis zu den EMVMaßnahmen verbessert haben. BMS 1 und BMS 2 fallen bei dieser Messung durch.
Doch auch BMS 4 hält die Grenzwerte, wahrscheinlich aus den oben genannten
Gründe, nicht ein. Einen besonders deutlicher Unterschied ist bei BMS 1 und BMS 5
ab ca. 60 MHz sichtbar.
Während BMS 1 aufgrund der transienten Störungen die Norm
nicht einhalten kann zeigen sich bei BMS 5 nur sehr geringe
schmalbandige Störungen. Auch die breitbandigen Störungen
sind geringer. Neben den designtechnischen Änderungen wirkt
hier vor allem der Ferritring. Es handelt sich um das Modell
74270151 der Firma Würth18. Im Datenblatt (siehe Anhang)
wird kein genauer Einsatzbereich konkretisiert. Auf diversen
Internetseiten und Shops wird dieser Ferritring jedoch
ders zur Dämpfung von Störungen um 100 MHz empfohlen.
Abb. 8-0-16: Vergleich BMS 1 und BMS 5
18
http://www.wuerth.de
73
Zum Beispiel auf der Seite „Chipsinfo―19. Wie in der Messung zu sehen ist, zeigt er in
diesem Bereich die beste Wirkung.
8.2.3 Dritte Messung: Gestrahlte Störaussendung von 20 MHz bis 200 MHz
Abb. 8-0-17: Ergebnisse der gestrahlten Störaussendungsmessung von 20 MHz bis 200 MHz
Hier sind die Ergebnisse der Messung der gestrahlten Störaussendung zu sehen.
Wieder wird die Überschreitung der Grenzwerte durch die Modelle BMS 1 und BMS
2 deutlich.
19
http://www.chipsinfo.com/Wurth_Electronics_Inc/74270151.htm
74
Auch BMS 3 und BMS 4 halten nicht die Anforderung
der Norm DIN EN 55025 ein. Lediglich BMS 5 mit
Gehäuse besteht diese EMV-Messung. Tendenziell
kann man auch hier wieder folgern, dass Designveränderungen eine bessere EMV mit sich bringen. Die
Ergebnisse von BMS 4 mit 2 Masseflächen fallen
auch bei der gestrahlten Messung schlechter aus als
die von BMS 3 aus. Eine mögliche Erklärung ist, dass
sich die auf den Masseflächen befindlichen Schwingungen im Gleichtakt befinden und sich durch konstruktive Interferenz verstärken.
Abb. 8-0-18: BMS 3, 4 und 5
Abb. 8-0-19: BMS 5 besteht diese Prüfung
75
8.2.4 Vierte Messung: Gestrahlte Störaussendung von 200 MHz bis 1GHz
Abb. 8-0-20: Ergebnisse der gestrahlten Störaussendungsmessung von 200 MHz bis 1 GHz
Bei der vierten Messung halten alle 4 BMS die Strahlungsgrenzen ein. Je höher die
Frequenz, desto schlechter die Werte von BMS 4 mit zwei Masseflächen. Dies untermauert die Vermutung, dass es bei diesem Layout zu konstruktiver Interferenz
kommt. Ab einer Frequenz von über 700 MHz strahlt das BMS insgesamt nur noch
wenig ab, da die auf der Platine befindlichen Bauteile nicht im Hochfrequenz-Bereich
arbeiten.
Ändert man die Reihenfolge der Anzeige und nimmt BMS 2 und BMS 4 aus der Grafik heraus, erkennt man die Unterschiede noch deutlicher.
76
Abb. 8-0-21: BMS 1, 3 und 5 im Vergleich
8.5 Zusammenfassung und Interpretation der Messergebnisse
Die Messungen haben gezeigt, dass fehlende Abblockkondensatoren bei BMS 1 das
Ergebnis verschlechtern.
Die konsequente Einhaltung von Designregeln bei BMS 3 führt zu wesentlich besseren Werten als BMS 2. Zwar werden durch diese Maßnahmen noch nicht alle
Grenzwerte eingehalten, aber es ist an vielen Stellen eine deutliche Verbesserung
der EMV zu erkennen. Ausreichende Abhilfe schaffen bei diesem BMS nur Designänderungen und eine Abschirmung. Sinnvoll wäre es hier, diese genau auf ein designtechnisch optimiertes BMS anzupassen. Ferritringe gibt es in verschiedenen
Größen und unterschiedlichen Filterwirkungnen. Es ist ratsam den Ferritring entsprechend der Störfrequenz, die gefiltert werden soll und der Kabeldicke, zu wählen. Verschiedene Hersteller bieten verschiedene Modelle an. Um Gewicht zu sparen, lässt
sich evtl. ein Ferritring aus einem anderen Material oder in einer anderen Größe für
den selben Einsatzzweck benutzen.
Bei der Verwendung von Gehäusen, wie bei BMS 5, sollte man den Skin-Effekt berücksichtigen, der gerade bei hochfrequenten Wechselströmen auftritt. Dieser besagt, dass die Stromdichte im Inneren eines Leiters niedriger ist als an der Oberflä77
che. Dadurch begünstigt er die Schirmwirkung von Gehäusen, je höher die Frequenz
ist.
Dies bedeutet, dass gerade bei hohen Frequenzen (geräteseitig ab 1 MHz) Gehäuse
sehr dünnwandig sein können. Oft reicht bereits eine geerdete Metallfolie um eine
gute Schirmwirkung zu erreichen. Viele Elektrofachhändler und auf EMV spezialisierte Anbieter haben verschiedene Materialien zur Schirmung im Programm. Von beschichteten Schrumpfschläuchen bis zu EMV-Spray, welche feinste Metallpartikel
enthält und somit hauchdünn auf z. B. Kunststoffgehäuse aufgetragen werden kann,
reicht hier das Angebot. Es gilt, für den gewünschten Anwendungsbereich das geeignet Mittel zu finden. Für niedrigere Frequenzen eignen sich wie zuvor bereits erwähnt weichmagnetische Werkstoffe.
BMS 4 liefert teilweise sehr schlechte Werte. Um dieses Problem zu vermeiden ist es
sinnvoll einen Layer als Massefläche und den anderen als Versorgungslayer auszulegen. Durch diese Maßnahmen werden Signale im Gegentakt erzeugt und die so
entstehenden Magnetfelder heben sich gegenseitig auf.
78
9. Zusammenfassung und Ausblick
9. Zusammenfassung und Ausblick
Diese Bachelorarbeit stellt einige wichtige Grundlagen für das EMV-gerechte Designen von Leiterplatinen vor. Die Messergebnisse zeigen, dass die angewandten Maßnahmen Wirkung haben.
Für die Zukunft ist geplant, neben dem Design bei neuen Platinen auch verstärkt
SMD-Bauteile zu verwenden. Da diese keine Drahtanschlüsse haben, die wie Antennen wirken, sollte sich eine weitere Verbesserung der EMV-Eigenschaften ergeben. Ein neues BMS auf SMD-Basis ist bereits fertig geplant.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass ein EMV-gerechtes Platinendesign viele EMVProbleme vermeidet oder verringert. Beachtet man dieses bereits bei der Planung,
können nachträgliche Abschirmungen ganz wegfallen oder erheblich geringer ausgelegt werden.
Für die Elektromobilität bedeutet dies aufgrund der hohen Anzahl an elektronischen
Bauteilen eine mögliche Gewichtseinsparung. Durch die verbesserten-EMV Eigentschaften wird sich außerdem eine höhere Zuverläsigkeit der Fahrzeuge ergeben.
79
Literaturverzeichnis
Literaturverzeichnis
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Adolf J. Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit 4. Auflage, Springer 2007
[JF08]
Joachim Franz, EMV 3. Auflage, Vieweg+Teubner Verlag
[KG05]
K.H. Gonschorek, EMV für Geräteentwickler und Systemintegratoren,
Springer Verlag 2005
[LM10]
http://www.lothar-miller.de (Zugriff September 2010)
[LH10]
Diplomarbeit Lukas Heeck
[NS09]
Diplomarbeit Nils Stentenbach
[PB10]
Diplomarbeit Patrick Braun
[PM10]
Braunsche Röhre [www.physikmathe.de] (Zugriff September 2010)
[WILP]
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für
Solarfahrzeuge,
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Richtlinie 2004/108/EG über die elektromagnetische Verträglichkeit
[CI10]
http://www.chipsinfo.com/Wurth_Electronics_Inc/74270151.htm (Zugriff
Oktober 2010)
80
Anhang
Anhang
Anhang A: Datenblatt ATMEGA8 (Auszug – Pinbelegung)
Anhang B: Datenblatt CAN Controller MCP 2515 (Auszug – Pinbelegung)
Anhang C: Datenblatt DCDC Wandler SIM1 SIL4
Anhang D: Datenblatt Quarz HC49US 8 MHz
Anhang E: Datenblatt Würth Ferrit 74270151
Anhang F: CD
81
Anhang
Anhang A:
82
Anhang
Anhang B:
83
Anhang
Anhang C :
84
Anhang
85
Anhang
Anhang D:
86
Anhang
Anhang E:
87
Anhang
88
Anhang
Anhang F:
89

Verbesserung der EMV einer Platine am Beispiel eines Batterie

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