Beitrag zur GMM-Fachtagung by pengxiang

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									Beitrag zur GMM-Fachtagung „EMV in der Kfz-Technik“ am 25.09.2001 in Wolfsburg:



EMV-Anforderungen an Einsatzfahrzeuge der Polizei (Sonder-
fahrzeuge) aus technischer Sicht
Dipl.-Ing. Horst Beckebanze
Polizeitechnisches Institut der Polizei-Führungsakademie in Münster (Nordrhein-Westfalen)




Kurzfassung
In der Vergangenheit waren für die Polizei Funkstörungen durch die Fahrzeugelektrik ein nicht unerhebliches
Problem. Aufwändige und kostenintensive Entstörmaßnahmen sowie Stillstandszeiten der Fahrzeuge waren die
Regel. Die gegenseitigen Störbeeinflussungen zwischen Fahrzeugfunkanlage und Kfz-Elektrik bzw. -Elektronik
sind Ende der 80er-Jahre zentral erfasst und ausgewertet worden. Aufgrund der daraus gewonnenen Erkenntnisse
hat die Polizei zunächst Grundforderungen zur EMV formuliert, aus denen schließlich die heute gültige Techni-
sche Richtlinie „EMV“ der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) entstanden ist. Rele-
vante EMV-Anforderungen der Polizei werden dargelegt und begründet.



                                                         rung blieben in der Nähe von starken Rundfunksen-
                                                         dern einfach stehen).
1       Ein kurzer Blick zurück                          Heute übernehmen Mikro- und Signalprozessoren in
                                                         den Steuergeräten das komplette Motormanagement
Vor einem guten Vierteljahrhundert war für die Auto-     einschließlich der Abgasregelung. Zahlreiche Unter-
mobilindustrie die EMV-Welt noch in Ordnung. Im          stützungssysteme helfen dem Fahrer, das Fahrzeug
Kraftfahrzeug wurden kaum elektronische Bauteile         auch in problematischen Situationen im Griff zu
verwendet, alles lief rein mechanisch oder elektro-      behalten. Ohne die Fahrzeugelektronik läuft heute gar
mechanisch. Die Zündung arbeitete mittels Unterbre-      nichts mehr.
cherkontakt, der einem mechanischen Verschleiß
unterlag und deshalb regelmäßig ausgetauscht werden
musste. Die drehzahl- bzw. lastabhängig notwendige       2       Die Störproblematik bei den
Verschiebung des Zündzeitpunktes geschah mittels                 Einsatzfahrzeugen der Polizei
mechanischer Unterdruckverstellung.
Das seinerzeit einzige elektronische Gerät an Bord       Nahezu seit es Sprechfunkgeräte gibt, baut die Polizei
war das Autoradio, das damals allerdings nur selten      diese auch in ihre Einsatzfahrzeuge ein. Aus dem
werkseitig eingebaut wurde, weil es als Luxus galt.      „Streifenwagen“ und dem „Funk“ wurde der heute
Dementsprechend waren die Fahrzeuge auch nicht           noch übliche Begriff „Funkstreifenwagen“. Von der
serienmäßig funkentstört. Vorbeifahrende Fahrzeuge       Fahrzeugelektrik verursachte Funkempfangsstörungen
verursachten in den Wohnungen Störungen beim             machten kostenintensive Entstörmaßnahmen erforder-
Rundfunk- und Fernsehempfang. Wollte man ein             lich. Damit verbundene Werkstattaufenthalte und
Autoradio betreiben, musste man zu dem Autoradio         Stillstandszeiten der Fahrzeuge waren üblich.
auch einen Kfz-Entstörsatz kaufen und einbauen
lassen.                                                  Grundsätzlich müssen die elektromagnetischen Ab-
Erst Anfang der 80er-Jahre begann man, sich intensi-     strahlungen wie folgt differenziert werden:
ver mit den Anforderungen zur elektromagnetischen
Verträglichkeit (EMV) von Geräten und Systemen im        ·   Bei den elektromagnetischen Abstrahlungen der
Fahrzeug auseinander zu setzen. In dem Maße, wie             Kfz-Elektrik und -Elektronik handelt es sich in
elektronische Bauteile und -systeme eingebaut wur-           der Regel um ungewollte Abstrahlprodukte, die
den, musste man deren ungestörten Betrieb selbst             entweder durch Funkenstrecken (geschaltete In-
beim Vorhandensein starker Störfelder sicherstellen          duktivitäten, Zündung, Relais, Elektromotoren)
(die ersten Fahrzeuge mit elektronischer Motorsteue-         entstehen oder durch Takt- und Arbeitsfrequenzen
                                                          2

    von Systemen mit HF-Oszillatoren oder Mikro-              werden könnte, mit dem man die Einsatzfahrzeuge der
    prozessoren verursacht werden. Diese Abstrahl-            Polizei werkseitig vorrüstet.
    produkte tragen nicht zur Funktion des Systems            Den Fahrzeugherstellern war die dargelegte Proble-
    bei. Sie sind Nebenerscheinungen.                         matik vom Grundsatz her bekannt. Man hatte in den
·   Bei der elektromagnetischen Abstrahlung einer             neueren Fahrzeugserien auch schon erhebliche Ver-
    Funkanlage handelt es sich um eine gewollte de-           besserungen hinsichtlich der elektromagnetischen
    finierte Aussendung auf festgelegten Frequenzen,          Verträglichkeit erreicht. Da es in den 80er-Jahren aber
    ohne die eine Übertragung der Nutzinformation             kaum nationale oder internationale Festlegungen gab,
    an eine andere Funkstelle nicht möglich wäre              mussten die Hersteller eigene Werknormen zur EMV
    (Funktion). Gleichwohl ist diese Aussendung für           entwickeln und anwenden. Dennoch sprachen manche
    die Fahrzeugelektronik gleichbedeutend mit einer          von „Überempfindlichkeiten“ der Funkgeräte gegen-
    starken Störstrahlung.                                    über Fahrzeugstörungen und stellten die technische
                                                              Machbarkeit der erforderlichen Entstörung in Frage.
Mit dem Ziel der Kosteneinsparung sind Ende der
80er-Jahre erstmals die gegenseitigen Störbeeinflus-
sungen zwischen Fahrzeugfunkanlage und Kfz-                   3       Grundforderungen der Polizei
Elektrik bzw. -Elektronik in Dienstkraftfahrzeugen der
Polizei bundesweit abgefragt und ausgewertet worden.          Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse hat die
Nur um ein Gefühl für die mögliche Beeinflussungs-            Polizei zunächst die folgenden Grundforderungen
bandbreite zu vermitteln, sollen die damals festge-           aufgestellt:
stellten wesentlichen Störbeeinflussungen kurz ge-            · Reduzierung der ungewollten elektromagneti-
nannt werden.                                                     schen Abstrahlungen durch die Kfz-Elektrik und
                                                                  –Elektronik, damit am Empfängereingang eines
Die häufigsten durch die Sendertastung eines Fahr-                Funkgeräts keine höheren schmalbandigen Stör-
zeugfunkgeräts verursachten Störungen an Fahrzeug-                spannungen als –10 dBµV verursacht werden
komponenten sind heute kaum vorstellbar:                      · Erhöhung der Einstrahlfestigkeit der Bordelek-
· Beeinflussung der Motorelektronik (Stottern,                    tronik für Feldstärken von mindestens 50 V/m
    Aussetzer)                                                    (bei sicherheitsrelevanten Systemen anzustreben
· Beeinflussung der Instrumente (Tacho, Dreh-                     bis zu 100 V/m)
    zahlmesser) und der Kontrollleuchten                      · Vorgabe der Montagestellen für die Funkantenne,
· Veränderung der Taktfrequenz des Blinkgebers                    damit ein möglichst großer Abstand zwischen
    (Flimmern)                                                    Störquelle und Störsenke erreicht wird
· Anlaufen des Scheibenwischers                               · Vorgabe für die Verlegung des Verbindungskabels
· Störung des Bordcomputers                                       der Funkanlage zwischen Fahrgastraum und Kof-
· Störung von Zusatzausstattungen wie Zentralver-                 ferraum bei größtmöglichem Abstand zu Kabel-
    riegelung, Sondersignalanlage                                 bäumen im Fahrzeug oder kritischen Komponen-
                                                                  ten
Die häufigsten durch Fahrzeugkomponenten verur-
sachten Funkempfangsstörungen waren:                          Diese Grundforderungen – die erstgenannten Forde-
· Störungen durch die Zündanlage (Knattern)                   rungen lagen über der seinerzeitigen Zielsetzung der
· Störungen durch die Einspritzanlage und Moto-               Industrie – sind im April 1991 mit dem Arbeitskreis
    relektronik (Prasseln)                                    „Eigen-Entstörung“ der Deutschen Elektrotechnischen
· Drehzahlabhängige Störungen durch die Lichtma-              Kommission im DIN und VDE diskutiert worden.
    schine (Heulen, Pfeifen)                                  Dabei wurde vorgeschlagen, dass die Polizei ihre
· Störungen durch das Blinkrelais (Knacken)                   Forderungen in einem Lastenheft festlegt, damit die
· Störungen durch Bordcomputer                                Fahrzeughersteller auf dieser Grundlage die Kosten
· Störungen durch Scheibenwischer, Lüfter, Zei-               für ein so genanntes „EMV-Paket“ kalkulieren kön-
    tuhr, Blaulichtmotor                                      nen.

Die Ergebnisse der Störungserfassung sind der Auto-           In der Folge ist so die Technische Richtlinie (TR)
mobilindustrie damals firmenbezogen mitgeteilt                „Elektromagnetische Verträglichkeit“ entstanden, die
worden. Gleichzeitig wurde angeregt, Überlegungen             im Lande Nordrhein-Westfalen an den Zentralen
anzustellen, auf welche Weise die EMV der Fahrzeuge           Polizeitechnischen Diensten (ZPD) in Düsseldorf
verbessert werden kann. Falls die gewünschte Verbes-          erarbeitet wurde. An dieser Dienststelle hat man das
serung aus Kostengründen nicht in der Fahrzeugserie           entsprechende messtechnische Equipment, welches
realisierbar wäre, sollte überlegt werden, ob nicht ein       zur Verifizierung von Messverfahren und Bestimmung
spezielles „EMV-Paket“ entwickelt und angeboten               von Grenzwerten benötigt wurde.
                                                         3

4       Wie begründet die Polizei ihre                       5.1     Störemissionen von Fahrzeugbau-
        Anforderungen?                                               gruppen und -komponenten

Die Polizei setzt für ihre Funkkommunikation zur Zeit        Elektromagnetische Störemissionen von Fahrzeug-
noch analoge Fahrzeugfunkgeräte im Frequenzbereich           baugruppen und -komponenten werden danach be-
von ca. 74 – 87 MHz ein. Diese Fahrzeugfunkgeräte            wertet, welche Störspannungen sie im Frequenzbe-
arbeiten mit einer Sendeleistung von 10 Watt, die über       reich der BOS an einem Funkempfänger mit 50 Ohm
eine Monopolantenne abgestrahlt wird. In einem               Impedanz, der über eine nach den Angaben des
Meter Abstand zur Antenne ergeben sich rechnerisch           Fahrzeugherstellers vorschriftsmäßig angebrachte
Feldstärken von bis zu 45 V/m und in zwei Metern             Funkantenne betrieben wird, verursachen. Dabei gilt
Abstand noch etwa bis zu 22 V/m.                             der Grundsatz, dass durch eine günstige räumliche
                                                             Entkopplung der Antenne bereits eine erhebliche
Wie messtechnische Umweltverträglichkeitsuntersu-            Dämpfung gegenüber der tatsächlichen Störaussen-
chungen des Instituts für Mobil- und Satellitenfunk-         dung erreicht werden kann. Die ausgesendete Störe-
technik in Kamp-Lintfort im Auftrag der Polizei-             nergie ist also nicht gleichzusetzen mit der empfange-
Führungsakademie jedoch gezeigt haben, treten z.B.           nen Störenergie.
bei einer Antennenposition auf dem Fahrzeugdach im           Die TR „EMV“ unterscheidet für diese Störspannun-
Bereich der Front- und Heckscheibe sogar elektrische         gen drei Grenzwertklassen, zwischen denen der
Feldstärken von über 60 V/m auf.                             Bedarfsträger je nach Funkanforderung wählen kann.
                                                             Am Empfänger dürfen dann keine vom Kraftfahrzeug
Die Forderung hinsichtlich der zulässigen Störemis-          verursachten Störspannungen entstehen, die über dem
sionen der Fahrzeugelektrik und -elektronik ergibt           Grenzwert der jeweiligen Klasse liegen.
sich aus der Empfängerempfindlichkeit der verwen-
deten Fahrzeugfunkgeräte. Bereits bei typisch 0,5 µV         5.1.1   Grenzwertklasse 1
HF-Eingangsspannung wird ein NF-Nutzsignal mit
einem Rauschabstand von 20 dB S/(S+N) empfangen.             Sie stellt die schärfsten Forderungen und ist dann
Die Rauschsperre öffnet den Empfangsweg aber                 anzuwenden, wenn eine bestmögliche Störfreiheit
bereits bei einem Rauschabstand des NF-Signals von           unter Ausnutzung der gegebenen Empfängerempfind-
ca. 15 dB S/(S+N), der bei einer HF-                         lichkeit auch in Versorgungsrandgebieten unverzicht-
Eingangsspannung von etwa 0,28 µV oder –                     bar ist. Verursachte Störspannungen mit schmalbandi-
11,0 dBµV erreicht wird.                                     gem Frequenzspektrum werden mittels Mittelwert-
                                                             messung bewertet. Der Grenzwert hierfür liegt bei
Ein am Empfängereingang des Funkgeräts anliegendes           maximal –10 dBµV. Störspannungen mit breitbandi-
Störsignal darf auf keinen Fall in der Lage sein, die        gem Frequenzspektrum werden mittels Quasipeak
Rauschsperre des NF-Weges zu öffnen. Doch auch ein           (Grenzwert +10 dBµV) oder mittels Spitzenwertmes-
schwaches Nutzsignal, welches gerade die Rauchsper-          sung (Grenzwert +23 dBµV) bewertet.
re öffnet, sollte durch ein Störsignal möglichst nicht
gestört werden.                                              5.1.2   Grenzwertklasse 2

Zum Verständnis sei angemerkt, dass der Polizeifunk          Sie stellt für alle Störspannungen (schmalbandig und
nicht mit einem ständig strahlenden Rundfunksender           breitbandig) um 10 dB schwächere Forderungen als
vergleichbar ist, d.h.     zwischen den einzelnen            die Grenzwertklasse 1 und ist dann anzuwenden, wenn
Sprachübertragungen steht kein Träger in der Luft, der       eine Reduzierung der Empfängerempfindlichkeit
im Funkempfänger schwächere Störsignale wegdrük-             akzeptiert werden kann. In Versorgungsrandgebieten
ken könnte.                                                  kann allerdings der Funkempfang eingeschränkt sein.
                                                             Eventuell kann die Rauschsperre öffnen.

5       Wesentliche Festlegungen der                         5.1.3   Grenzwertklasse 3:
        Technischen Richtlinie EMV
                                                             Sie stellt für alle Störspannungen um 20 dB schwäche-
Nachfolgend soll nur auf die wichtigsten Festlegungen        re Forderungen als die Grenzwertklasse 1. Mit diesen
der Technischen Richtlinie zur elektromagnetischen           Grenzwerten ist ein störungsfreier Funkempfang nicht
Verträglichkeit von und in Kraftfahrzeugen eingegan-         mehr sicherzustellen. Die Grenzwertklasse 3 kann nur
gen werden.                                                  für solche Frequenzbereiche akzeptiert werden, die
                                                             nicht für den Funkempfang vorgesehen sind.
                                                          4

5.1.4   Für welche Störsignale gelten die                     6       Heutige Situation und Aus-
        Grenzwerte?                                                   blick
Grundsätzlich gelten die genannten Grenzwerte für             Nach den Erkenntnissen der Polizei hat sich die TR
alle Dauerstörsignale, die im Fahrbetrieb oder bei            „EMV“ grundsätzlich bewährt. Mit ihr steht den
laufendem Motor sowie in ergänzenden Betriebszu-              Ländern heute ein geeignetes Instrument zur Verfü-
ständen wie z.B. bei laufendem Scheibenwischer,               gung, mit dem die eigenen Anforderungen gegenüber
Lüftung, Klimaanlage, Zusatzgeräten zur Kommuni-              den Fahrzeugherstellern erklärt werden können. Die
kation oder Navigation, etc. entstehen können.                Richtlinie lässt bewusst die Möglichkeit offen, die
                                                              Auswahl der Frequenzfenster und der Grenzwertklas-
Für Kurzzeitstörsignale, die im normalen Kraftfahr-           sen entsprechend den tatsächlichen Bedürfnissen
zeugbetrieb nicht selbständig auftreten, sondern die          vorzunehmen und dabei zwischen taktisch Notwendi-
die erkennbare Folge eines manuellen Bedienvorgangs           gem, technisch Möglichem und wirtschaftlich Vertret-
sind, werden diese Grenzwerte nicht gefordert, wie            barem sorgfältig abzuwägen.
z.B. beim Einsatz elektrischer Motoren zur Sitz-,             Auch wenn zur EMV inzwischen zahlreiche nationale
Lenksäulen- und Spiegeleinstellung, Fensterheber-             und internationale Richtlinien, Normen und Regel-
oder Schiebedachbedienung.                                    werke zu beachten sind, empfiehlt es sich, zusätzlich
                                                              die Festlegungen der TR zu berücksichtigen. Somit
Die Grenzwerte werden auch nicht gefordert für                befindet man sich auch gegenüber nichtpolizeilichen
selbständig auftretende Kurzzeitstörsignale, die nur in       Kunden auf der sicheren Seite.
extremen Fahrsituationen durch das Regelverhalten
bestimmter Systeme entstehen, wie z.B. ABS oder               In Zukunft wird bezüglich der EMV auch Augenmerk
ESP.                                                          auf einen neuen Frequenzbereich für die Funkkommu-
                                                              nikation der Polizei gerichtet werden müssen. Es ist
                                                              beabsichtigt, im Frequenzbereich 380 – 400 MHz
5.2     Leitungsgeführte Störgrößen auf                       mittel- bis langfristig für alle BOS ein neues Funksy-
        Versorgungsleitungen im Kfz                           stem auf digitaler Basis einzuführen. In Aachen läuft
                                                              derzeit ein Pilotversuch mit Funkgeräten des TETRA-
Leitungsgeführte Störgrößen auf Versorgungsleitungen          Standards. Hinsichtlich der EMV zwischen diesen
im Fahrzeug werden danach bewertet, welche Impulse            Geräten und den Kraftfahrzeugen müssen aber erst
am Stromversorgungseingang des Funkgeräts gemes-              noch Untersuchungen durchgeführt werden. Infor-
sen werden können. Neben der Welligkeit der Versor-           mationen zum Digitalfunk der BOS können Sie
gungsspannung werden etwa 6 Impulsformen nach                 abrufen unter: www.pilotprojekt-digitalfunk-aachen.de
ihrer Amplitude, Anstiegszeit und Dauer gemäß
DIN 40 839 unterschieden.                                     Bitte berücksichtigen Sie bei allen Neu- und auch
Störgrößen dürfen abhängig von ihrer Impulsform               Weiterentwicklungen so früh wie möglich die Belange
bestimmte Werte nicht überschreiten. Einzelheiten             der elektromagnetischen Verträglichkeit – nicht nur
regelt die Technische Richtlinie „EMV“.                       im Interesse der Polizei, sondern auch zum eigenen
                                                              Vorteil. Nachträgliche Anpassungen an die elektroma-
                                                              gnetische Einsatzumgebung erfordern immer einen
5.3     Einstrahlfestigkeit der Fahrzeug-                     sehr viel höheren Aufwand.
        baugruppen und -komponenten

Die Funktion von Fahrzeugbaugruppen und –kompo-               7       Literatur
nenten darf durch das Auftreten elektromagnetischer
Felder – speziell in den Frequenzbereichen der BOS –          Technische Richtlinie „Elektromagnetische Ver-
mit Feldstärken bis zu 50 V/m auf keinen Fall schäd-          träglichkeit“ der Behörden und Organisationen mit
lich beeinträchtigt werden. Bei sicherheitsrelevanten         Sicherheitsaufgaben (BOS), Stand: 10/1999
Baugruppen und Systemen sollte eine Störfestigkeit            Herausgeber: Unterausschuss Führungs- und Einsatz-
bis zu Feldstärken von 100 V/m angestrebt werden.             mittel des Arbeitskreises II „Innere Sicherheit“ der
Diese Feldstärken können unter Umständen in unmit-            Arbeitsgemeinschaft der Innenministerien der Länder
telbarer Antennennähe oder in der Nähe starker                Redaktion: Zentrale Polizeitechnische Dienste des
Rundfunksender auftreten. Zu bedenken ist, dass diese         Landes Nordrhein-Westfalen, Düsseldorf
Feldstärken auch auf Leitungen einwirken und Stör-
größen somit über die Leitungsanschlüsse zu den
Baugruppen gelangen können.

								
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