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Elektronische Absicherung der Fahrzeugbordnetze bis 48 V

Das 12 V Bordnetz kommt durch die aufkommende Elektrifizierung des Automobils an seine Grenzen, denn immer mehr mechanische Funktionen werden zunehmend elektrisch ausgeführt. Ein 48 V Teilbordnetz übernimmt die Versorgung leistungsstarker Verbraucher. Dadurch werden neue Konzepte zur elektrischen Absicherung erforderlich. BOSCH Semiconductors hat für die Absicherung der 12 V … 48 V Bordnetze ein IC in der Entwicklung. Interessierte Erstanwender können Engineering Samples über Fa. Rutronik anfordern.

Zusätzliche Effekte bei höherer Bordspannung

Die 48 V bedeuten nicht nur 4 mal 12 V, sondern einen Einstieg in die Hybridwelt und einen großen Schritt in die Elektromobilität und das autonome Fahren. Für 48 V Bordnetzsysteme spielen die Luft- und Kriechstrecken eine bedeutende Rolle. Die Luftstrecke ist die kürzeste Entfernung zwischen zwei elektrischen Leitern. Ab Betriebsspannungen von rund 20 V muss man bei Kurzschluss, Leitungsbruch oder Schalten unter Last mit dem Auftreten gefährlicher Lichtbogen rechnen. Lichtbogen werden sehr heiß, wodurch von ihnen eine immense Brandgefahr ausgeht. Um diese Gefahr in den Griff zu bekommen, werden spezielle Relais und Kontaktsysteme verwendet, die sich durch besondere Stoß- und Temperaturfestigkeit auszeichnen.

Eine technisch aufwendigere aber sinnvolle Lösung Lichtbogen zu unterbinden, ist die frühzeitige Erkennung durch das Messen und Auswerten von Strom- und Spannungsbildern mit Hilfe einer intelligenten Sensorik.

Auftritt von Lichtbogen und die Gefahren dabei

Zusätzlich zu den Spannungen über 20 V gibt es eine weitere Bedingung für das konstante Brennen von Lichtbogen. Je nach Strom und Spannung muss eine Mindestleistung von ca. 100 W erreicht werden, damit ein Lichtbogen stabil brennt. Damit sind Stromkreise im Bordnetz mit 48 V stark lichtbogengefährdet, denn dorthin werden die Verbraucher verlagert, die einen besonders hohen Leistungsbedarf besitzen, wie z. B. der elektrische Turbolader, die elektrisch unterstützte Lenkung oder die Wankstabilisierung. Geeignete Schutzkonzepte sind deshalb unumgänglich. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Lichtbogen:

Die einfachste Art, der Lichtbogen parallel zur Last, entsteht durch einen Kurzschluss des stromführenden Leiters nach Masse, z. B. durch schadhafte Isolation. Der Kurzschluss- oder Lichtbogenstrom ist, sofern der Fehlerstrompfad genügend niederohmig ist, sehr hoch und addiert sich zum Laststrom. Dadurch löst die Schmelzsicherung aus, trennt den Stromkreis und löscht den Lichtbogen. Die Sicherung muss natürlich in der Lage sein, den in ihr selbst auftretenden Lichtbogen zu löschen.

Die zweite Art, der Lichtbogen in Reihenschaltung zu den Verbrauchern, ist deutlich schwerer zu detektieren. Er entsteht beim Unterbrechen des Stromkreises unter Last. Beispiele hierfür sind das Öffnen von Relaiskontakten oder das Stecken und Lösen von Steckern während der Strom fließt. Ein Leitungsbruch, ein Wackelkontakt oder eine schadhafte Masseverbindung fallen ebenfalls in diese Kategorie und können einen Lichtbogen nach sich ziehen.

Die Reihenschaltung von Lichtbogenstrecke und Last hat in der Regel zur Folge, dass der zusätzliche Spannungsabfall am Lichtbogen den Laststrom verringert. Dadurch werden serielle Lichtbogen durch die klassische Schmelzsicherung nicht erkennbar. Die Abschaltschwelle der Sicherung wird nicht überschritten.

In einem klassischen Bordnetz ist die Schmelzsicherung das typische Schutzorgan, um die Gefahr eines Kabelbrands durch Überhitzung, Überströme und Kurzschluss zu bannen. Diese wird in Zukunft sinnvollerweise durch eine elektronische Lösung ersetzt werden, damit alle auftretenden Lichtbogen zuverlässig und frühzeitig erkannt und gelöscht werden können.

Elektronische Sicherungen bieten weitere Möglichkeiten

Zusätzlich zur Lichtbogenthematik bieten elektronische Sicherungen aus Halbleiterschaltern weitere Vorteile. Anders als Schmelzsicherungen sind elektronische Sicherungen rücksetzbar und dadurch mehrfach verwendbar. Nach dem Auslösen kann die elektronische Sicherung über den Fahrzeugbus ohne Einsatz von Werkzeugen diagnostiziert und zurückgesetzt werden.

Die Sicherungskennlinie eines Sicherungskanales ist bei der elektronischen Sicherung in weiten Grenzen frei gestaltbar. So können für sehr hohe Ströme reine Überstromabschaltschwellen definiert werden, während für mittlere und kleinere Ströme die I²t-Kennlinie als Abschaltgrenze verwendet werden mag. Damit kann die Sicherungskennlinie

flexibel an die Stromtragfähigkeit der angeschlossenen Leitung und dem dynamischen Verhalten der Last angepasst werden. Bei Schmelzsicherungen muss man dagegen Hardwarevarianten mit unterschiedlicher Belastbarkeit und Auslösecharakteristik (Trägheit) vorrätig halten.

Eine elektronische Sicherung vereinigt Sicherungs- mit Schaltfunktion, was ein weiterer Vorteil ist. Die Schmelzsicherung kann nur ausschalten während die elektronische Sicherung busgesteuert sowohl aus- als auch einschalten kann. Damit lässt sich eventuell ein Leistungsschalter einsparen, der in einem Konzept mit Schmelzsicherung zusätzlich benötigt würde.

Der nächste Aspekt ist ein sicherheitsrelevanter. Eine elektronische Sicherung mit Busanbindung kann auch gezielt und kontrolliert Last abwerfen. Damit kann das Bordnetzmanagement aktiv auf die Verteilung der elektrischen Energie einwirken z. B. um die verfügbare Leistung auf einen sicherheitsrelevanten Stromkreis zu konzentrieren.

Sicherungsersatz mit der iFuse von Bosch

Bei unserem Partner, der Firma Bosch, ist ein hochintegriertes ASIC, genannt iFuse, für 12 V, 24 V und 48 V Anwendungen in der Entwicklung. Zusammen mit einem Mikrocontroller und N-Kanal Power MOSFETs lässt sich mit der iFuse eine Halbleitersicherung mit 4 Kanälen aufbauen. Dafür integriert die iFuse Funktionen eines System Basis Companion Chips wie Spannungsversorgung, Watchdog und Versorgungsspannungsüberwachung für den Mikrocontroller. Hinzu kommen die Gate-Treiber für die als Schalter verwendeten N-Kanal MOSFETs.. Genial: Die Strommessung kommt ohne externe Sensoren wie Shuntwiderstände aus.

Die Grundfunktion "Abschalten bei Überstrom" arbeitet auch autonom, ohne Zutun des Mikrocontrollers. Über die SPI-Schnittstelle des µC wird der Baustein konfiguriert, die Ausgänge und der Watchdog werden angesteuert und die Status- und Diagnosedaten können zurückgelesen werden.

Spannungserzeugung

Die iFuse beinhaltet einen Tiefsetzsteller (Buck Converter) zum direkten Anschluss an das Bordnetz und nachgeschaltete Linearregler zur internen Spannungsversorgung und zur externen Speisung des Mikrocontrollers. Die Erzeugung der Gatespannungen für die Schalttransistoren geschieht über einen internen Hochsetzsteller. Beide Schaltregler verfügen über interne FETs, so dass nur wenige externe Bauelemente nötig sind.

Mit einem externen MOSFET kann die i-Fuse verpolsicher gemacht werden. Die iFuse arbeitet ab einer Versorgungsspannung von 3,5 V - dauerhaft, auch unmittelbar nach dem Einschalten und durchläuft damit ebenso einen Start-Spannungseinbruch (Cold Cranking).

Lichtbogenerkennung

In Kombination mit einer intelligenten Last mit Busanbindung unterstützt die iFuse die Möglichkeit zur Lichtbogenerkennung. Dazu ermitteln sowohl der Mikrocontroller über die iFuse als auch die intelligente Last Versorgungsspannung und Strom und lassen diese beiden Werte über den Mikrocontroller im Steuergerät der iFuse vergleichen. Ist der von der Last ermittelte Strom kleiner als der über die iFuse gemessene, so deutet das auf einen Lichtbogen parallel zu Last hin. Ist die von der Last gemessene Versorgungsspannung kleiner als die über die iFuse ermittelte Versorgungsspannung, so könnte ein Lichtbogen in Reihe zur Last die Ursache dafür sein.

Ein weiteres Verfahren zur Lichtbogenerkennung verwendet die Spektralanalyse der Versorgungsspannung oder des Laststromes. Diese Aufgabe könnte der Mikrocontroller mit DSP-Fähigkeit im Steuergerät der iFuse übernehmen. Die iFuse bietet die dafür nötigen Messsignale, die bis hin zu hohen Frequenzen abgebildet werden. Für Lasten die über keine eigene "Intelligenz" verfügen bzw. nicht kommunikationsfähig sind, ist das in Verbindung mit der Überstromüberwachung oft völlig ausreichend.

Features

4 unabhängige Sicherungskanäle

System Basis Chip für elektronische Sicherungen für 12 V ... 48 V

Spannungsbereich bis 70 V

Sanftes Einschalten für große kapazitive Lasten

Bidirektionale Strommessung ohne externe Shuntwiderstände

Intelligente Messbereichsauswahl für höchste Messgenauigkeit bei jeder Stromhöhe

Power Supply für Mikrocontroller und Power MOSFETs

Spezifiziert für Spannungsbereich bis herunter auf 3,5 V

Watchdog zur Überwachung des Mikrocontrollers

Temperatursensorik inside

Versorgungsspannungsüberwachung

SPI Schnittstelle zum übergeordnetem Mikrocontroller

Statussignale individuell für alle 4 Kanäle

Kompaktes Gehäuse, TQFP64epad

Schutzfunktionen

Sicherungsfunktion bei Überstrom stand-alone ohne Eingriff des µC

Volle Sicherungsfunktion bis 3,5 V Versorgungsspannung

Überstromerkennung und Abschaltung in weniger als 10 µs

Verpolerkennung und Verpolschutz

Überstromerkennung und Abschaltung im aktivem und Sleep-Modus

Individuelle Übertemperaturerkennung der internen Gate-Treiber

Unterstützt Lichtbogenerkennung ohne Auswirkung auf Sicherungsfunktion

Vorteile auf einen Blick

Eine Basis für smarte Sicherungen passend für alle LV-Bordnetze

Durch hohe Integration geringer Platzbedarf

Robuste Spannungsversorgung mit Automotive Grade

Stromsparmodi für Energieeffizienz

Leicht durchführbare Systemdiagnose

Schnelle und genaue Stromerfassung ohne externe Bauelemente

Option für bidirektionales Trennen wie bei Schmelzsicherung

 

Komponenten finden Sie auf www.rutronik24.de.

Possible reasons for the formation of arcs
Mögliche Ursachen für die Entstehung von Lichtbogen