Kabelsatz im Kfz.

Kabelsatz im Kfz.Leoni

Während zu Zeiten der 42-V-Initiative um 2001 noch die Vorstellung herrschte, das Bordnetz in seiner Gesamtheit auf die höhere Spannungsebene umzustellen und das 14-V-Bordnetz komplett abzulösen, konzentriert man sich heute bei Einführung einer 48-V-Ebene auf das Energiebordnetz des Fahrzeugs, also die Bereiche Stromerzeugung, Energiespeicherung und leistungsstarke Aktuatorik.

Kabelbaum 2 kg leichter

Bild 1a: Flexible Aufgabenverteilung; das Zusammenspiel der 14-V- und 48-V-Bordnetze hängt von den verschalteten Komponenten ab und reicht von der Energieerzeugung und -speicherung auf der 14-V-Seite...

Bild 1a: Flexible Aufgabenverteilung; das Zusammenspiel der 14-V- und 48-V-Bordnetze hängt von den verschalteten Komponenten ab und reicht von der Energieerzeugung und -speicherung auf der 14-V-Seite…Leoni

Durch die Anhebung der Systemspannung wird der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung und Leistungsverteilung im Fahrzeug aufgrund des verringerten Stromes und damit der reduzierten ohmschen Verluste grundsätzlich verbessert. Der geringere Stromfluss hat aber auch unmittelbare Auswirkungen auf den Kabelbaum, da die erforderlichen Leitungsquerschnitte entsprechend verkleinert werden können – ein positiver Effekt, denn damit werden Leitungsbündel dünner und das Gewicht nimmt ab. Das Potential der Gewichtseinsparung hängt daher vom Umfang derjenigen Verbraucher ab, die von der 14-V-Seite auf die 48-V-Seite wechseln und kann sich je nach Gegebenheiten zwischen 1 und 2 kg bewegen.

Bild 1b: ...über zusätzliche Endergiespeicher auf der 48-V-Seite...

Bild 1b: …über zusätzliche Endergiespeicher auf der 48-V-Seite…Leoni

Bild 1 zeigt beispielhaft drei Möglichkeiten für eine Zweispannungs-Bordnetzarchitektur. Fall 1 zeigt, dass vereinzelte Verbraucher, wie beispielsweise eine Frontscheibenheizung, bereits heute mit einer höheren Betriebsspannung arbeiten. Hier wird die Spannung durch einen im Aggregat integrierten DC/DC-Wandler entsprechend hochgesetzt.

Die zweite Ausführung sieht einen zusätzlichen Energiespeicher auf der 48-V-Seite vor. Hierbei versorgt ein zentraler DC/DC-Wandler mehrere 48-V-Verbraucher, während die 48-V-Batterie Stromspitzen puffert.

Bild 1c: ...bis zur Energieerzeugung und -speicherung auf der 48-V-Seite.

Bild 1c: …bis zur Energieerzeugung und -speicherung auf der 48-V-Seite.Leoni

In der dritten Ausbaustufe ist die Infrastruktur für die angestrebte leistungsfähige Rekuperation zu sehen. Im Gegensatz zu den anderen beiden Architekturen findet nämlich nicht nur die Energiespeicherung sondern auch die Stromerzeugung mittels Starter-Generator auf der 48-V-Seite statt, und ein DC/DC-Wandler versorgt das 14-V-Restbordnetz. Die Architektur des 48-V-Energiebordnetzes hängt demnach von der Anzahl der zu verschaltenden elektrischen Komponenten ab und kann zudem von OEM zu OEM unterschiedlich sein.

Topologie eines Mehrspannungsbordnetzes

Bild 2a: Unterschiedliche Topologien im Mehrspannungs-Bordnetz; die Platzierung der Aggregate bestimmt die Leitungsverlegung.

Bild 2a: Unterschiedliche Topologien im Mehrspannungs-Bordnetz; die Platzierung der Aggregate bestimmt die Leitungsverlegung.Leoni

Um nun eine bestimmte Architektur als physisches Bordnetz, also den Kabelbaum für ein Kraftfahrzeug, abzubilden, muss die Platzierung aller erforderlichen Aggregate im Fahrzeug festgelegt werden. Bild 2 veranschaulicht hierzu beispielhaft einige Topologien. Unterschiedliche Leitungsverlegungen, selbst bei sonst gleicher Architektur, ergeben sich schon unter den Fahrzeugbaureihen eines OEM bei unterschiedlicher Lage der Batterie. Die Einbauorte der Komponenten haben somit Einfluss auf die Leitungsverlegung und die Leitungslängen, was sich unmittelbar auf das Gewicht auswirkt.

Bild 2b: Der Buchstabe S bezeichnet den Starter, S/G den Starter-Generator, EPS die elektrische Servolenkung, ARS die Wankstabilisierung, SBK die Sicherheitsbatterieklemme, IBS den Intelligenten Batteriesensor und BMS das Batterie-Management-System.

Bild 2b: Der Buchstabe S bezeichnet den Starter, S/G den Starter-Generator, EPS die elektrische Servolenkung, ARS die Wankstabilisierung, SBK die Sicherheitsbatterieklemme, IBS den Intelligenten Batteriesensor und BMS das Batterie-Management-System.Leoni

Um die Gefahr eines Kabelbrandes auszuschließen, ist es erforderlich, die Leitungen im Kabelbaum vor Überhitzung durch Überströme und Kurzschlüsse zu schützen. Das Schutzorgan mit der weitesten Verbreitung ist hier die Schmelzsicherung – ein irreversibles thermisches Element, welches den betroffenen Pfad abschaltet, indem der Schmelzleiter durchbrennt. Neben Kurzschlüssen können im 48-V-Bordnetz – anders als im 14-V-Bordnetz – auch Lichtbögen entstehen. Ein solcher Lichtbogen ist eine punktuelle Wärmequelle und stellt somit ebenfalls ein Brandrisiko dar. Schmelzsicherungen können das 48-V-Bordnetz  jedoch nur bedingt gegen Lichtbögen absichern.

1000 °C am Fuße des Lichtbogens

Untersuchungen haben gezeigt, dass Lichtbögen ab ungefähr 20 V stabil brennen können. Zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens ist eine Mindestleistung erforderlich; es muss somit selbst bei ausreichend hohem Spannungsniveau ein hinreichend großer Strom fließen können.

Auf einen Blick

Der Lichtbogen ist beherrschbar

Die Lichtbogenproblematik im Bordnetz ist grundsätzlich beherrschbar. Nicht für alle Lichtbogen-Szenarien sind zwingend zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich. Ob Maßnahmen zu ergreifen sind, ist abhängig von der Leitungstopologie, der Verbraucherleistung, dem Stromprofil sowie davon, ob es sich um einen aktiven oder um einen passiven Verbraucher handelt. Lösungsvorschläge zur Detektion von Lichtbögen sind vorhanden. Laststrompfade mit passiven Verbrauchern lassen sich über einen Detektions-Ansatz vor Störlichtbögen schützen. Halbleiterschalter ermöglichen das lichtbogenfreie Schalten von 48-V-Lasten und begünstigen das unproblematische Löschen von Störlichtbögen.

Generell sind Präventivmaßnahmen im Kabelbaum, wie sie auch heute teilweise schon im 14-V-Bordnetz (insbesondere bei schwierigen Einbausituationen) zu finden sind, zur Minimierung des Risikos empfehlenswert.

Die im Lichtbogen in Licht und Wärme umgesetzte elektrische Leistung ist nicht nur für das Schädigungsausmaß sondern auch für die maximal mögliche Bogenlänge verantwortlich. Neben den genannten Faktoren beeinflussen auch Umgebungsbedingungen wie Lufttemperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit das Verhalten eines Lichtbogens. Das Schädigungspotenzial wird schnell deutlich, wenn man sich – vergleichbar dem Lichtbogenschweißen – vorstellt, dass innerhalb von Millisekunden Temperaturen von über 1000 °C am Lichtbogenfußpunkt auftreten können.

Bild 3: Typischer Strompfad; ein Lichtbogen kann verschiedenen Ursachen haben.

Bild 3: Typischer Strompfad; ein Lichtbogen kann verschiedenen Ursachen haben.Leoni

Ein Lichtbogen kann an verschiedenen Stellen in einem Fahrzeugbordnetz überall dort auftreten, wo ein Stromkreis unter Last getrennt wird. Bei der Betrachtung eines typischen Strompfades (Bild 3) fällt der Blick zunächst auf die Schaltkontakte eines Relais und die Kontakte einer Steckverbindung. Beim Ziehen eines Steckers unter Last wird ein Lichtbogen ausgelöst, der jedoch schnell verlöscht, sobald der Kontaktabstand groß genug ist.

Eine weitere Ursache ist ein Wackelkontakt, der bereits im 14-V-Bordnetz gefürchtet ist, da durch den erhöhten Übergangswiderstand eine Funktionsstörung auftritt und eine punktuelle Wärmequelle entsteht, die das aus Kunststoff bestehende Steckergehäuse lokal um die Kontaktkammer aufschmelzen lässt – ein Effekt, der bei 48 V aufgrund der Lichtbogenthematik eine noch größere Beachtung erfordert.

Auch wenn eine Schmelzsicherung anspricht, tritt ein Lichtbogen auf, der sich prinzipbedingt nicht verhindern lässt. Deshalb  muss dafür gesorgt werden, dass er kontrolliert und sicher innerhalb des Schmelzleitergehäuses verlöscht. Ein Leitungsbruch infolge von Vibration oder Biege-Wechsel-Belastung im Fahrbetrieb kann ebenfalls einen Lichtbogen nach sich ziehen.

48-V-Bordnetze brauchen Schutzkonzepte

Zu unterscheiden sind parallele und serielle Lichtbögen. Der parallele Lichtbogen entsteht durch einen Kurzschluss. Die fließenden Ströme sind sehr hoch und im Wesentlichen nur durch den Lichtbogen- und Leitungswiderstand begrenzt. Die Schmelzsicherung ist daher potenziell in der Lage, den Stromkreis zu unterbrechen und so den Lichtbogen zu löschen. Um ein Restrisiko durch intermittierende parallele Lichtbogenströme auszuschließen, könnte auf spezielle flinkere Sicherungstypen zurückgegriffen werden. Der serielle Lichtbogen ist dadurch gekennzeichnet, dass durch den zusätzlichen Spannungsabfall am Lichtbogen der Laststrom verringert wird. Folglich werden serielle Lichtbögen durch Überstromsicherungen (zum Beispiel Schmelzsicherungen) nicht gelöscht.

Bild 4: 48-V-Aggregate können eine akute Gefahrenquelle sein, da Zuleitungen bei Nennleistungen von über 450 W grundsätzlich lichtbogengefährdet sind.

Bild 4: 48-V-Aggregate können eine akute Gefahrenquelle sein, da Zuleitungen bei Nennleistungen von über 450 W grundsätzlich lichtbogengefährdet sind.Leoni

Aufgrund der benötigten Mindestleistung kann unterhalb einer gewissen Schwelle kein Lichtbogen brennen. Messungen haben gezeigt, dass bei nominellen Verbraucherleistungen von etwa unter 200 W kein serieller Lichtbogen entstehen kann, während Zuleitungen mit Nennleistungen von über 450 W lichtbogengefährdet sind. Dazwischen liegt ein Grenzbereich, in dem ein Lichtbogen zwar noch brennen, aber nicht unter allen Umständen zünden kann. Die Leistung  potentieller 48-V-Aggregate (Bild 4) ist allerdings immer größer ist als 450 W, so dass geeignete Schutzkonzepte somit unbedingt notwendig sind.

Für Kraftfahrzeuge sind heute keine Lösungen von der Stange erhältlich. Existierende Ansätze aus der Luftfahrt- oder Photovoltaikindustrie sind nicht 1:1 übertragbar. Trotzdem gibt es  vergleichsweise einfache und praktikable Lösungen zur Erkennung und Löschung von Störlichtbögen.

Verbraucher, wie beispielsweise die elektrisch unterstützte Lenkung, bestehen aus Steuergerät und Aktuator. Das Steuergerät verfügt über eine interne Spannungsmessung, so dass es möglich ist, einen Abfall der Versorgungsspannung am Eingang, der durch einen seriellen Lichtbogen bedingt ist, zu erkennen. Bei dieser Art von Verbrauchern kann man von einer Eigen-Detektion von seriellen Lichtbögen sprechen. Zur Löschung des Lichtbogens kann die Elektronik im Steuergerät den betreffenden fehlerhaften Lastpfad abschalten.

Messbrücke als wirksamer Detektor

Bild 5: Ein Detektor auf Basis der Wheatstone’schen Messbrücke ist mit diskreter Elektronik aufgebaut und kommt ohne Mikrocontroller aus.

Bild 5: Ein Detektor auf Basis der Wheatstone’schen Messbrücke ist mit diskreter Elektronik aufgebaut und kommt ohne Mikrocontroller aus.Leoni

Passiv ausgeführte Heizsysteme und andere Verbraucher benötigen jedoch besondere Aufmerksamkeit, da keine Elektronik zur Spannungsüberwachung vorhanden ist. Eine von Leoni als Prototyp umgesetzte Idee ist in Bild 5 zu sehen. Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip der Wheatstone‘schen Messbrücke: Zwei der vier hochohmigen Messwiderstände sind unmittelbar am Verbraucher angeordnet, die anderen beiden in einem Leistungsverteiler. Zur Auswertung der Zustände ist eine kleine Elektronik im Leistungsverteiler vorgesehen. Eine Sensorleitung stellt die Verbindung zwischen den Messwiderständen am Verbraucher und der Elektronik her. Die Widerstände müssen nicht zwingend Bestandteil des Verbrauchers sein, sie lassen sich auch im Stecker oder im Kabelbaum am Steckereingang integrieren.

Entsteht ein serieller Lichtbogen in der Plusleitung, so führt das zu einer Potentialverschiebung im Pluspfad sowie zu einer Verstimmung der Brücke. Entsteht ein serieller Lichtbogen in der Masseleitung, dann hat dies eine Potentialverschiebung im Massepfad zur Folge, so dass die Brücke in die entgegengesetzte Richtung verstimmt wird. Das Vorzeichen der Messspannung U zeigt den Ort des seriellen Lichtbogens an (Pluspfad oder Massepfad). Die Auswerte-Elektronik erkennt die Brückenverstimmungen und löscht den Lichtbogen durch die Abschaltung des Systems.

Eine Schwelle für die Mindesthöhe der Lichtbogenspannung und eine Ansprechverzögerung bei der Erkennung des Lichtbogens sind einstellbar, um kurze Spannungsschwankungen aufgrund von Störeinflüssen von Generator und Verbraucher zu unterdrücken. Der realisierte Prototyp des Detektors ist als einfache diskrete Elektronik aufgebaut und kommt ohne Mikrocontroller aus.

Eine interessante Funktionserweiterung der Lösung ist die Verwendung einer geschirmten Leitung im Pluspfad des Verbrauchers, denn so kann der Schirm die zusätzlich notwendige Sensorleitung ersetzen. Dies ermöglicht auch die Erkennung einer beschädigten Leitungsisolation, sobald der offen liegende sensitive Schirm mit der Karosseriemasse in Berührung kommt. Somit ist ebenfalls ein Schutz vor dem Auftreten von parallelen Lichtbögen gegeben.

Halbleiter ermöglicht zusätzliche Sensorik

Eine weitere Möglichkeit zur Detektion des parallelen Lichtbogens besteht in der Messung des Verbraucherstromes an der Pluseinspeisung des Lastpfades. Hierfür bietet sich als Mess-Ort ebenfalls der Leistungsverteiler an. Kommt anstelle eines Relais ein Halbleiter als Schaltelement zum Einsatz, dann umgeht man nicht nur die Lichtbogenproblematik beim Öffnen eines Schalters unter Last sondern kann bei geeigneten Transistoren auch gleichzeitig den Strom erfassen. Steigt nun der Strom im Lichtbogenfall an, kann eine Elektronik durch den Vergleich zwischen Ist- und Soll-Werten zwischen einem regulären Betriebsfall und einem Störfall unterscheiden und den Lichtbogen löschen.

Die Löschung des Lichtbogens durch dauerhaftes Abschalten des betroffenen Laststrompfades bis zur Behebung des Fehlers ist allerdings nur dann denkbar, wenn lediglich ein Verbraucher pro Strompfad angeschlossen ist. Ist jedoch ein zentraler Trennschalter für mehrere Verbraucher oder Teilbordnetze vorgesehen, sollten Löschversuche mit kurzen Abschaltimpulsen erfolgen, die den Betrieb der nicht betroffenen Verbraucher weiterhin nicht gefährden.