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Elektronische Absicherung von Fahrzeugbordnetzen bis 48 V

| Autor / Redakteur: Ralf Hickl, Uwe Rahn* / Thomas Kuther

Sicher ist sicher: Bosch Semiconductors entwickelt deshalb zur Absicherung der 12- und 48-Volt-Bordnetze ein entsprechnedes ASIC.
Sicher ist sicher: Bosch Semiconductors entwickelt deshalb zur Absicherung der 12- und 48-Volt-Bordnetze ein entsprechnedes ASIC. (Bild: Bosch Semiconductors)

Das 12-V-Bordnetz kommt an seine Grenzen und ein 48-V-Teilbordnetz übernimmt deshalb die Versorgung leistungsstarker Verbraucher. Dies erfordert aber auch neue Konzepte zur elektrischen Absicherung.

48 V bedeuten nicht nur vier mal 12 V, sondern vielmehr 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, dadurch geht von ihnen eine immense Brandgefahr aus. Um diese Gefahr in den Griff zu bekommen, werden derzeit Relais und Kontaktsysteme mit besonders hoher Stoß- und Temperaturfestigkeit verwendet.

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

Die Gefahren eines Lichtbogens sind nicht zu unterschätzen

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

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Lichtbögen: Die einfachste Art ist der Lichtbogen parallel zur Last. Er 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 können ebenfalls einen Lichtbogen verursachen.

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 Schutzelement, um vor einem Kabelbrand durch Überhitzung, Überströme und Kurzschluss zu schützen. 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 Vorteile

Zusätzlich zur Lichtbogenthematik bieten elektronische Sicherungen aus Halbleiterschaltern weitere Vorteile. Anders als Schmelzsicherungen sind elektronische Sicherungen rücksetzbar und dadurch mehrfach verwendbar. Die elektronische Sicherung kann 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, für mittlere und kleinere Ströme bietet sich die I2t-Kennlinie als Abschaltgrenze an. 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. Eine Schmelzsicherung kann nur ausschalten. Dagegen kann eine elektronische Sicherung busgesteuert sowohl aus- als auch einschalten. Damit lässt sich eventuell ein Leistungsschalter einsparen, der in einem Konzept mit Schmelzsicherung zusätzlich benötigt würde. Hinzu kommt ein sicherheitsrelevanter Aspekt. 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.

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