Entwicklung + Test
Integrierte Systemlösung zur EMV-Simulation in der Steuergeräteentwicklung
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Einsatz in der Serienentwicklung
Elektronische Steuergeräte, wie sie typischerweise im Automotive-Bereich eingesetzt werden, können u.a. aus einem Gehäuse, einer Leiterplatte und einem Kabelbaum bestehen. Im Falle eines Motorkühlungsgebläses aus der Serienentwicklung von Bosch kommt zusätzlich ein sogenanntes Stanzgitter hinzu, das der Stromführung des ECU-Leistungsteils dient. Das ist notwendig, weil sich hier der hohe Strom nicht über die Leiterplatte führen lässt. Um ein aussagekräftiges und genaues Modell für die EMV-Simulation zu erstellen, ist es wichtig, das Stanzgitter bei der Modellierung mit seiner 3D-Geometrie vollständig zu berücksichtigen. Bei dem Stanzgitter handelt es sich um Leiterstreifen, die räumlich im Steuergerät angeordnet sind. Durch diese Anordnung wirken elektromagnetische Verkopplungen, die man analytisch nur bedingt ermitteln kann. Mit Hilfe einer Feldsimulation in CST STUDIO SUITE werden diese elektromagnetischen Verkopplungen berechnet. Hierzu wird in einem ersten Schritt die 3D-Struktur des Stanzgitters (Bild 2) mit Hilfe von CAD-Daten in CST STUDIO SUITE eingelesen. Das Format STEP sowie Formate gängiger CAD-Programme können verarbeitet werden. Auch der Import von Leiterplattenlayouts aus gängigen Layout-Tools in die CST STUDIO SUITE ist möglich. An den Stellen, wo elektronische Komponenten wie MOSFET oder Freilaufdiode an das Stanzgitter angeschlossen sind, werden Ports gesetzt, die später die elektrischen Schnittstellen des Stanzgittermodells für die diskrete Systemsimulation in Saber darstellen (Bild 3).
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In der Feldsimulation in CST STUDIO SUITE werden diese Ports angeregt, um das elektromagnetische Verhalten des Stanzgitters zu berechnen und die zugehörigen Ergebnisse in S-Parameterbeschreibung zu erhalten. Bild 3 zeigt das Stanzgittermodell in CST STUDIO SUITE und die für die S-Parameterberechnung notwendigen Ports. In diesem Fall dient das Gehäuse der ECU als Referenzanbindung der Ports. Die in der Feldsimulation berechneten S-Parameter lassen sich in einem nächsten Schritt über die Schnittstelle automatisiert in ein diskretes Saber-Komponentemodell mit allen zugehörigen Dateien exportieren. Bei Bedarf können weitere Komponenten exportiert werden, die zur diskreten EMV-Systemsimulation der ECU notwendig sind.
Die Erstellung des EMV-Systemmodells erfolgt anschließend in Saber. Dabei wird das Gesamtmodell in Saber analog zum realen Messaufbau realisiert. Es besteht aus einer Batterie, Netznachbildung, Verkabelung und dem eigentlichen Steuergerät. Bei der Komponenten-Modellierung auf der Leiterplatte des Steuergerätes ist es notwendig, diese vollständig mit ihren parasitären elektrischen Eigenschaften zu beschreiben, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Das bedeutet am Beispiel eines Kondensators, dass neben der Kapazität auch der ohmsche Widerstand und die zugehörige Induktivität zu modellieren sind. Ebenso sind bei allen anderen Bauelementen wie Drosseln, Dioden oder MOSFETs die parasitären Eigenschaften zu modellieren. Die Leiterbahnen werden durch ohmsche und induktive Parasiten beschrieben. Bild 4 zeigt einen Teil des ECU-Systemmodells für die EMV-Simulation in Saber. Dabei soll ein spezielles Augenmerk auf die Simulation und Analyse des Freilaufkreises gelegt werden. Das Systemmodell bildet den Testaufbau, die MOSFET-Ansteuerung, den Motor sowie den Leistungsteil des Steuergerätes ab. Das Stanzgittermodell ist als diskrete Black Box über die vorab in der Feldsimulation berechneten S-Parameter in das Gesamtmodell integriert und mit den Leistungshalbleitern verbunden, die auf der Leiterplatte implementiert sind.
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