Bordnetz: Elektronisches Trennelement verhindert den Totalausfall

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Es ist ein Worst Case: Das Bordnetz fällt aus und das Fahrzeug bleibt stehen. Damit der Totalausfall vermieden werden kann, haben Forscher ein spezielles elektronisches Trennelement entwickelt. Getestet wurde es im BMW i3.

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Stellt einen Notbetrieb in autonomen Fahrzeugen sicher: Das von Fraunhofer-Forscher und Partnern entwickelte Elektronikmodul.
Stellt einen Notbetrieb in autonomen Fahrzeugen sicher: Das von Fraunhofer-Forscher und Partnern entwickelte Elektronikmodul.
(Bild: Fraunhofer IZM | Volker Mai)

Ein autonomes Fahrzeug wird über zwei Quellen mit Energie versorgt: Das ist zum einen die Hochvolt-Batterie und auf der anderen Seite die Backup-Batterie. Letztere versorgt das Fahrzeug im Ruhezustand. Was passiert jedoch bei einem Fehler? Beispielsweise wenn ein elektrischer Kurzschluss auftritt? Um einen Totalausfall zu verhindern, hat das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM im Projekt Hi-Bord gemeinsam mit Partnern ein elektronisches Trennelement entwickelt. Es isoliert den Fehler im Bordnetz, so dass es nicht zu sicherheitskritischen Situationen kommt.

Dazu eine Zahl des ADAC: Laut einer optimistischen Schätzung wird der Anteil der Neufahrzeuge, in denen sich die fahrende Person auf allen Autobahnen anderen Aufgaben widmen kann, bis zum Jahr 2050 auf 70% steigen. Doch bemängeln Kritiker noch einige ungeklärte Fragen bei selbstfahrenden Shuttles: Kann ein automatisches System auch im Notfall zuverlässig reagieren, und was passiert, wenn es durch einen sich ausbreitenden Kurzschluss zusammenbricht?

Sicherheit ohne zweites Bordnetz

In den meisten hoch- und vollautomatisierten Fahrzeugen ist es üblich, den betroffenen Bereich durch eine Überlastsicherung abzugrenzen. Dieser Aufbau führt allerdings dazu, dass die betroffene Komponente im Fehlerfall gänzlich abgeschaltet wird. Für das hoch- und vollautomatisierte Fahren ist eine solche Vorgehensweise nur dann möglich, wenn alle Komponenten und das Bordnetz redundant, also doppelt vorhanden sind.

Ein vor allem im Falle des Bordnetzes teurer und platz- sowie gewichtstreibender Ansatz. Um die Sicherheit während der Fahrt ohne ein zweites Bordnetz hochzuverlässig zu gewährleisten, entwickelten Forscher des Fraunhofer IZM im Projekt HiBord gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementtechnologie IISB ein Trennelement, welches die fehlerhafte Komponente abschaltet und die Versorgung von sicherheitsrelevanten Komponenten trotzdem gewährleistet.

Bei Ausfall: Fahrt auf dem Standstreifen möglich

Was wie ein Sparansatz klingt, ist in puncto Sicherheit eine wesentliche Verbesserung für das autonome Fahren. Phillip Arnold, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IZM, erklärt: „Mit den bisherigen Systemen kann es bei Überspannungen während der Fahrt zu einem abrupten und unkontrollierten Ausfall der gesamten Elektronik, also auch der Lenk- und Bremssysteme kommen. Gerade bei hohen Geschwindigkeiten ist das ein nicht tolerierbares Risiko. Dank unseres neuen Moduls funktioniert ein Teil des Bordnetzes weiter und das vollautomatisierte Auto kann noch auf den Standstreifen fahren.“

In der Leistungselektronik werden spezielle Feldeffekttransistor-Schalter – so genannte MOSFETs – verwendet, um große elektrische Ströme oder Spannungen zu leiten oder zu sperren. Das neu entwickelte Trennelement verfügt über 16 dieser MOSFET-Schalter und kann bis zu 180 A problemlos leiten. Wird dieser Schwellwert, etwa bei einem Kurzschluss überschritten, öffnet der elektrische Schalter und trennt den Strom. Da die MOSFET-Schalter sogar bis 300 A belastbar sind, werden sie weit unter ihrer Belastungsgrenze betrieben und weisen dadurch eine deutliche höhere Lebensdauer auf als bisherige Lösungen.

60-mal schneller als herkömmliche Sicherung

In Tests wurden künstliche Kurzschlüsse erzeugt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Elektronikmodul bis zu einer Stromstärke von 700 A zuverlässig isolieren kann, ohne dass sich der Kurzschluss ausbreitet. Auch die Schaltschnelligkeit weist klare Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Prinzip auf: Während eine übliche Schmelzsicherung rund 20 ms zum Auslösen benötigt, detektiert das Trennelement einen Fehler binnen 10 µs und löst innerhalb von 300 µs aus. Damit ist es über 60-mal schneller als derzeitige Sicherungssysteme.

Während des Betriebs entsteht durch den Fluss des hohen elektrischen Stroms Wärme. Um sicherzustellen, dass diese abgeleitet wird, haben die Forschenden ein spezielles Gehäuse entwickelt, das direkt mit dem Fahrgestell des Autos verbunden ist. Somit verteilt sich die Wärme aus dem Elektronikmodul auf eine größere Fläche, und eine Erwärmung über 100 °C wird verhindert.

Das fertige Modul wurde bereits im elektrischen BMW i3 erfolgreich getestet und ist so ausgelegt, dass es prinzipiell in jedem Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann. Als Ausfallschutz für unerwartete elektronische Ereignisse stellt es einen wegweisenden Schritt dar, um das autonome Fahren sicher und zuverlässig zu realisieren.

Projekt HiBord

Fördergeldgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Fördersumme: 3,65 Mio. Euro
Projektpartner:
• BMW AG, München
• Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und
Bauelementetechnologie IISB, Erlangen
• Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und
Bauelementetechnologie IZM, Berlin
• Kromberg & Schubert Automotive GmbH & Co. KG,
Renningen
• Robert Bosch GmbH, Reutlingen
• Siemens AG, München
• smartCable GmbH, Erlangen

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