Entwicklung und Realisierung einer Referenzplattform für Powerline Communication als Schnittstelle zwischen Elektrofahrzeug und Ladesäule sowie deren Untersuchung und Bewertung aus Sicht der EMV

Projektlaufzeit:

01/2012 - 12/2012

Projektleitung (Fakultät):

Herr Prof. Dr. Matthias Richter (Elektrotechnik)

Auftraggeber:

Audi AG, BMW AG, Daimler AG, Porsche AG und Volkswagen AG

Projekttyp:

Projekt des Forschungs- und Transferzentrums e.V. (FTZ e.V.)

Kontakt:

Herr Prof. Dr. Matthias Richter

+49 (375) 536 1460
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Stichworte bzw. Deskriptoren:

E-Mobility, EMV, Homeplug Green PHY, Powerline

Situation

Bei den derzeit in Fahrzeugen verbauten drahtgebundenen Kommunikationssystemen werden für die Datenübertragung dedizierte Leitungen verlegt. Die Powerline Communication (PLC) hingegen nutzt vorrangig vorhandene Versorgungsleitungen, auf die hochfrequente Träger moduliert werden, welche die Nutzdaten transportieren. Derartige Systeme finden bereits in der Gebäudevernetzung und in Stromversorgungsnetzen Anwendung und sollen zukünftig auch in Fahrzeugen verbaut werden. Der erste Schritt dazu ist die Nutzung dieser Kommunikationstechnik beim Datenaustausch zwischen Elektrofahrzeugen (Electric vehicle - EV) und den für den Betrieb notwendigen Ladesäulen (Electric vehicle supply equipment - EVSE). Für die Umsetzung wurde bereits definiert, dass nicht die ladestromführenden Leitungen als Übertragungsmedium genutzt werden, sondern eine vorhandene Steuerleitung. Diese Control-Pilot-Leitung (CP) kann in ihrer ursprünglich definierten Form nur einige wenige diskrete Zustände abbilden, wie beispielsweise die Ladebereitschaft des Fahrzeugs. Der steigende Bedarf an Informationsaustausch zwischen EV und EVSE soll durch die zusätzliche Nutzung dieser Leitung für PLC realisiert werden.

Aufgabe

Es soll eine Referenzplattform entwickelt und aufgebaut werden, welche sowohl die Signale der CP-Leitung verarbeiten bzw. erzeugen kann, als auch die Powerline Communication realisiert. Die Plattform soll universell als EV oder EVSE einsetzbar sein und sich für EMV- und Konformitätstests eignen. Für die PLC ist der HomePlug Green PHY Standard vorgeschrieben. Des Weiteren soll die elektromagnetische Störaussendung und -festigkeit der PLC-Komponenten untersucht und bewertet werden. Zusätzlich sind verschiedene Kabeltypen und Anschlussvarianten auf deren Eignung zu prüfen.

Ergebnis

Es wurde eine Plattform entwickelt, welche auf einem leistungsstarken PowerPC als Hostcontroller und einem QCA7000-Kommunikationscontroller basiert. Der QCA7000 des Halbleiterherstellers Qualcomm Atheros ist derzeit der einzig verfügbare PLC-Controller nach HomePlug Green PHY Standard. Sämtliche Parameter der CP-Leitung wurden variabel gestaltet, um die Forderung der Eignung für Konformitätstests zu erfüllen. Eine Vielzahl dieser Parameter können auch ferngesteuert verändert werden, ohne dass ein Hardwareeingriff erforderlich ist. Dies wurde beispielsweise durch digitale Potentiometer bewerkstelligt. Realisiert wurde die entwickelte Schaltung durch ein EMV-optimiertes Sechslagenlayout.

Das entstandene PLC-Modem überträgt Ethernet-Datenpakete nach IEEE 802.3. Diese werden über eine optische Ethernet-Schnittstelle ausgetauscht. Alternativ dazu können auch Testdaten vom Modem selbst erzeugt werden, welche von einem zweiten Modem empfangen und auf Fehler überprüft werden. Zur Überwachung des Modems und zur Steuerung der CP-Funktionen existiert eine optische serielle Schnittstelle. Die PLC ist gegen schmalbandige Störungen weitestgehend resistent, da aufgrund des verwendeten orthogonalen Frequenzmultiplexverfahrens (OFDM) und der großen Anzahl von Trägern, welche auf einem breiten Nutzband (2 bis 28MHz) verteilt sind, immer ausreichend Träger ungestört sind. Lediglich die Übertragungsrate sinkt mit steigender Anzahl gestörter Träger. Wird die Bandbreite der Störung bis zur Hälfte der Nutzbandbreite und darüber hinaus erhöht, ist keine Kommunikation mehr möglich.

Die Störaussendung wurde auf Komponentenebene untersucht und lässt sich durch eine geeignete Masseanbindung des Steuergerätes und entsprechende Verkabelung deutlich reduzieren. Eine abschließende Bewertung des Betrages der Störaussendung ist derzeit nicht möglich, da die Messergebnisse stark von der Anordnung der Komponenten abhängig sind und aktuell noch kein verbindlicher Messaufbau definiert wurde, welcher für Fahrzeugkomponenten gilt, die eine elektrische Verbindung zu Geräten außerhalb des Fahrzeugs besitzen. Zur endgültigen Festlegung eines realistischen Messaufbaus werden entsprechende Fahrzeugmessungen erforderlich sein, um einen Rückschluss auf die Richtigkeit der Komponentenmessungen zu erlangen.

Dieses Forschungsthema ist ein Gemeinschaftsprojekt mit den deutschen OEMs Audi, BMW, Daimler, Porsche und Volkswagen.