Automotive Electronics: Überstromschutz reduziert Kabelbaumgewicht im Auto

| Autor / Redakteur: Guillemette Paour * / Thomas Kuther

Das Bordnetz: Eine dezentrale Architektur reduziert in Kombination mit PPTC-Überstromschutz das Gewicht
Das Bordnetz: Eine dezentrale Architektur reduziert in Kombination mit PPTC-Überstromschutz das Gewicht (Bild: Tyco Electronics)

Autos sollen leichter werden – aber wie? Wir verraten Ihnen, wie sich mit einer dezentralisierten Architektur und einem PPTC-Überstromschutz das Gewicht des Kabelbaums in Kraftfahrzeugen deutlich reduzieren lässt.

Immer härtere Anforderungen, etwa aktuelle Branchenvorgaben wie strengere Gesetze in Bezug auf Treibhausgasemissionen und die Forderung nach einem geringeren Kraftstoffverbrauch, zwingen Automobilhersteller, nach immer neuen Möglichkeiten zur Reduzierung des Fahrzeugsgewichts zu suchen. Das Kabelbaumgewicht ist hier ein Gegenstand des Interesses und hat Designingenieure dazu geführt, ihren Ansatz zum Schutz der elektrischen Funktionen im Wagen vor Überstromschäden erneut ins Auge zu fassen.

In einem Auto fließt Strom über mehrere Haupt- und Nebenkabelanordnungen, die über das ganze Fahrzeug verteilt sind, zu den Lastaufnehmern. In der Regel übertragen die Schaltkreise 0,10 A bis 30 A bei Systemspannungen von 14 V für 12-V-Batteriesysteme (28 V bei 24-V-Batteriesystemen wie in den meisten LKW und Bussen). Diese Kabelbäume müssen vor Schäden durch katastrophale thermische Ereignisse wie z. B. Kurzschlüsse geschützt werden.

Wie ein Überlastschutz das Gewicht reduzieren kann

Die Herausforderung für Entwicklungsingenieure besteht nun darin, einerseits Schaltkreisschutzvorrichtungen zu integrieren, die Schutz vor potenziellen Überlasten bieten, gleichzeitig aber Gesamtkosten und -gewicht reduzieren. Weil ein typisches Auto Hunderte von elektrischen Schaltkreisen und mehr als einen Kilometer Leitungen enthalten kann, führt die Komplexität des Leitungssystems bisweilen dazu, dass konventionelle Schaltkreisdesigntechniken schwer anzuwenden sind, wodurch es oft zu unnötigen „Sicherheitszuschlägen“ beim Design kommen kann.

Die konventionelle Lösung zum Schutz eines Automobilleitungssystems war bisher, zentralisierte und verteilte Mehrfachlast-Sicherungen zu verwenden, wie in Bild 1 dargestellt. Bei dieser Art einer zentralisierten oder sternförmigen Architektur erfordert jede Funktion einen separaten Leiter. Während ein einziger Leiter mehrere Funktionen unterstützt, müssen der Leiter sowie die Sicherung auch die Summe der Ströme zu diesen Funktionen unterstützen.

Es sind mehrere Konstruktionslösungen möglich

Da so viele Schaltkreise aus einem elektrischen Zentrum heraus geführt werden, ist es oft fast unmöglich, alle Leitungen in und aus einer einzigen Anschlussdose zu verlegen und diese an einem für den Fahrer zugänglichen Ort anzubringen. Daher haben Systemdesigner bislang oft auf Konstruktionslösungen zurückgegriffen, die einige der gewünschten Endeffekte negieren, z.B.:

  • Verzicht auf Leitergrößenoptimierung und Fehlerisolierung durch Kombination der Lasten in einem Schaltkreis.
  • Anordnen der elektrischen Zentren an Punkten, wo nur ausgebildetes Servicepersonal zu erhöhten Kosten darauf zugreifen kann.
  • Leitungsverlegung hin und her zwischen verschiedenen Funktionssystemen, was Leitungslänge, -größe und Kosten steigert. Beispiel: Aufgrund der Notwendigkeit, auf die Sicherungen zugreifen zu können, weist ein herkömmliches Türmodul evtl. separate Stromleitungen für Fenster, Türverriegelungen, LEDs und Spiegelfunktionen auf, die möglicherweise jeweils durch eine separate Sicherung in der Anschlussdose geschützt werden.

Der herkömmliche zentralisierte Ansatz zur Verdrahtungsarchitektur eines Fahrzeugs basiert auf einer begrenzten Anzahl großer Sicherungen zum Schutz mehrerer Schaltkreise vor Beschädigungen bei Überstrombedingungen. Auch wenn für die einmalige Verwendung vorgesehene Sicherungen recht kostengünstig sind, bereitet das Ersetzen bei „Durchbrennen“ dem Kunden Unannehmlichkeiten und führt zur Unzufriedenheit.

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Sicherungen müssen gut zugänglich sein

Sicherungen müssen auch an relativ gut zugänglichen Stellen montiert werden. Die wiederum beeinflusst aber die Systemarchitektur beeinflusst und eventuell müssen weniger wünschenswerte Paketlayout-Kompromisse geschlossen werden. Weil der Formfaktor einer Sicherung nicht von ihrer Einstufung abhängt, kann der Anwender leicht eine durchgebrannte Sicherung durch eine andere mit einer höheren Stromeinstufung ersetzen, die nicht für den jeweiligen Schaltkreis vorgesehen war. Dies kann aber zur Überlastung des Leiters im Kabelbaum führen, was wiederum ein thermisches Ereignis auslösen kann.

Dezentralisierte Architektur und PPTC-Vorrichtungen

Ein optimiertes Kabelbaumschema weist eine hierarchische, baumähnliche Struktur mit Hauptstrom-„Stämmen“ auf, die in kleinere „Äste“ abzweigen, wobei an jedem Knoten Überstromschutz geboten wird. Diese Architektur ermöglicht den Einsatz kleinerer, platzsparender Leiter, die Gewicht und Kosten reduzieren können. Außerdem ergeben sich dadurch ein verbesserter Systemschutz und eine Fehlerisolierung, die letztendlich die Zuverlässigkeit erhöhen.

Bild 2 zeigt eine dezentralisierte Architektur, bei der mehrere Anschlussdosen (gelb dargestellt) von Sammelschienen bereitgestellt werden. Die aus den Anschlussdosen führenden Leiter, die die verschiedenen Funktionen speisen, können einzeln durch eine rücksetzbare Schaltungsschutz-Vorrichtung geschützt werden.

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