Autor*in: Dr. Stefan Maximilian Dreyer
Keywords: 48V power supply, fail safe power supply, power distribution unit, steer-by-wire
Seitenzahl: 162
DOI: 10.18154/RWTH-2021-03086
Jahr: 2021
Sprache: de-DE

Die Reduktion der CO2-Emission und die damit verbundene Elektrifizierung der Fahrzeuge und das automatisierte Fahren sind zwei Megatrends, die die Automobilindustrie in den vergangenen Jahre dominiert haben. Damit verbunden ist die Einführung des 48V-Bordnetzes, welches derzeit maßgeblich die Versorgung leistungsintensiver, innovativer und sicherheitsrelevanter Verbraucher sicherstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wird nach einer einführenden Betrachtung der Lenkanlage im Kraftfahrzeug auf die Aspekte der funktionalen Sicherheit gemäß der ISO 26262 eingegangen. In diesem Kontext werden kurz Redundanzkonzepte und Ausfallraten von Komponenten beschrieben. Weiterhin werden aktuelle Bordnetze und deren Topologien betrachtet, die darin integrierten typischen Verbraucher und Energiequellen, wobei das 48V-Bordnetz im Vordergrund steht. Im Zusammenspiel mit By-Wire-Lenksystemen konnten als Fehlerfälle Kurzschlüsse sowie Isolationsfehler mit anschließendem Lichtbogen als besonders kritisch für sicherheitsrelevante Verbraucher identifiziert werden. Diese lassen das Bordnetz im Falle eines Kurzschlusses zusammenbrechen, sodass eine sichere und zuverlässige Energieversorgung nicht mehr gegeben ist. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird eine Bordnetztopologie für By-Wire-Lenk\-anlagen vorgeschlagen, die sich als Inselsystem in bisherige Bordnetzarchitekturen integrieren lässt. Diese sieht zwei Aktuatoren sowie zwei Energiequellen vor, welche als Minimalanforderungen im Bordnetz vorhanden sein müssen. Zentrale Instanz dieses 48V-Bordnetzes ist die Power Distribution Unit (PDU). Diese unterteilt das Bordnetz in einzelne Domänen, die kontinuierlich überwacht werden. Ihr Aufgabe ist es dabei, Fehler im Bordnetz bzw. in Komponenten zu detektieren und bei Bedarf die fehlerbehaftete Domäne abzuwerfen. Hierbei ist das Ziel, eine Fehlerausbreitung zu verhindern zu somit die Funktion des nicht fehlerbehafteten Bordnetzes weiterhin zu gewährleisten. Im Fortgang wird detailliert auf die Auslegung der PDU eingegangen. Hierbei wird insbesondere der Fokus auf die Anforderungen und die Auswahl der Halbleiter gelegt, da im Fehlerfall Ströme bis zu ca. 1000 A abgeschaltet werden müssen. Hierzu werden Schaltverluste und Temperaturverhalten der Halbleiter in verschiedenen Fehlerszenarien simuliert, um sicherzustellen, dass die Bauteile während des Abschaltens nicht überlastet werden. Weiterhin wird eine Diagnosemöglichkeit zur Detektion von latenten Fehlern innerhalb der Halbleiter beschrieben. Als entscheidender Parameter ist die Reaktionszeit der PDU identifiziert worden. Das schnelle Erfassen eines Fehlers bedeutet kleinere Abschaltströme, was die Anforderungen an die Halbleiter reduziert. In der konkreten Umsetzung wurden Reaktionszeiten von unter 40 µs realisiert, wodurch der Spannungseinbruch im 48V-Bordnetz limitiert werden konnte. Im direkten Vergleich zu Schmelzsicherungen, bei welchen das Bordnetz für bis 250 ms auf unter 24 V zusammenbricht, konnte somit die Stabilität der Spannungsversorgung mittels der PDU derart gesteigert werden, dass auch sicherheitskritische Komponenten zuverlässig versorgt werden können.

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