Mit iConF vom Kabelschutz zum proaktiven Fehlermanagement

Mit einem Systemansatz, der auf einer spezifischen ASIC-Entwicklung und einer neuen Topologie für künftige E/E-Architekturen von „Software defined Vehicles" (SDV) aufbaut, optimiert FORVIA HELLA das eFuse-Konzept funktional und kostenseitig. Zudem wird es zu einem intelligenten Energieverteilsystem weiterentwickelt, das Anomalien frühzeitig erkennt und proaktive Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Systemfunktion ergreift.

Grenzen konventioneller Schmelzsicherungen

Schmelzsicherungen haben im Fahrzeugbordnetz die Aufgabe des Überstromschutzes. Durch das definierte Durchbrennen eines dünnen Leiters soll ein zu hoher Stromfluss und damit eine übermäßige Wärmeentwicklung im Kabelstrang des Fahrzeugs verhindert werden. Ohne diese Schutzmaßnahme könnte es ansonsten bei einem Fehler in der E/E-Architektur zu Beschädigungen an Kabeln und an weiteren Komponenten bis hin zu einem Fahrzeugbrand kommen.

Das Wirkprinzip einer Schmelzsicherung ermöglicht ein Fail-Safe-Verhalten. Das bedeutet, dass durch Auslösen der Sicherung der entsprechende Leitungsstrang und damit die angeschlossenen Systeme stromlos geschaltet werden. Für künftige Herausforderungen an das Bordnetz ist diese Herangehensweise nicht mehr ausreichend. Ein Beispiel sind automatisierte Fahrfunktionen (SAE 3 und darüber), bei denen die E/E-Architektur eine aktive Rolle bei der Fahrzeugführung einnimmt. Statt fail-safe muss das Sicherungskonzept hier fail-operational sein, bei einem Fehler muss die gewünschte Zielfunktionalität demnach weiter gewährleistet sein.

Ein Baustein zur Erfüllung der künftigen Anforderungen sind elektronische Sicherungen, sogenannte eFuses. Statt des Schmelzleiters übernehmen hier Halbleiterelemente die Sicherungsfunktion. Je nach Bauart werden bei eFuses klassische High-Side-Treiber sowie Gate-Treiber und MOSFETs eingesetzt. Zusätzliche Komponenten werden benötigt zur Logik, Stabilisierung, Verfügbarkeit und für das Energiemanagement. Um diese Komplexität zu reduzieren, entwickelt FORVIA HELLA iConF, eine eFuse, die nur noch aus einem Logikteil (ASIC) und Leistungsteil (MOSFET) besteht.  iConF kann mit Arbeitsströmen von 100 mA bis 250 A und Spitzenströmen von bis zu 800 A – oder bei Bedarf sogar mehr – hohe Leistungsanforderungen bewältigen und bietet gleichzeitig zusätzliche Funktionen, wie Überstromschutz, Überspannungsschutz, Unterspannungsschutz, Spannungsmessung oder Strommessung und eine sichere Energieversorgung. Der große Funktionsumfang unterstützt nicht nur die Integration aktueller Systemfunktionen ins Fahrzeug, sondern erleichtert den Automobilherstellern auch den Schritt hin zum automatisierten Fahren.

Aufgrund der großen Entwicklungsherausforderungen stoßen Standardentwicklungsmethoden bei modernen eFuses immer mehr an ihre Grenzen. FORVIA HELLA hat daher einen Advanced-Systems-Engineering-Ansatz zur konsistenten und ganzheitlichen Entwicklung implementiert, der alle Subsysteme und Phasen miteinander verbindet. Durch dieses Konzept, in dem Hardware und Software abgestimmt aufeinander entwickelt werden, ist es möglich, die aus den Anwendungsfällen für eFuses resultierenden Anforderungen abzudecken.

Bild 1 zeigt die Leistungs- und Steuerungspfade der eFuse der ersten Generation von FORVIA HELLA. Mit der derzeit entwickelten zweiten eFuse-Generation iConF wird dieses Konzept nochmals erheblich vereinfacht. FORVIA HELLA implementiert die selbstentwickelte eFuse einerseits in die eigenen Steuergeräte, bietet das System andererseits aber auch als komplette, in sich abgestimmte Hardware- und Softwarelösung für die Integration in Fremdsteuergeräte auf dem Markt an. Systemzulieferer und OEM mit eigener Steuergeräteentwicklung können so schnell und einfach eine robuste, in sich abgestimmte modulare und konfigurierbare eFuse-Lösung für ihre Systeme übernehmen. Zur Vereinfachung der Applikation stehen vordefinierte Softwareelemente zur Verfügung, die nur noch auf die jeweiligen Anforderungen parametrisiert werden müssen.

Auf Basis der umfangreichen Erfahrungen der vergangenen Jahrzehnte bei der Entwicklung und Fertigung komplexer Steuerungsmodule sowie Energieverteilsysteme wurde eine strategische Systementwicklung initiiert, bei der die künftigen Herausforderungen der Energieversorgung im Fahrzeug analysiert und in eine Produktentwicklung fortschrittlicher eFuses überführt wurden. In modernen Fahrzeugen sind Bordnetze Stand der Technik, bei denen ein oder mehrere intelligent Power Distribution Moduls (iPDMs) mit integrierten eFuses als übergeordnete Stromverteilungs- und Absicherungs-Hubs für Steuergeräte, Sensoren und Aktuatoren fungieren. Zusätzliche Advanced Control Modules (ACMs), auch als Zonale Module bekannt, ermöglichen sichere Funktionen.

IPDMs und ACMs bieten eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und die Aufrechterhaltung der weiteren eFuse-Funktionen über alle Steuergerätezustände hinweg, auch im Flash- und Schlafmodus, sodass die Stabilität kritischer Schaltkreise in allen Betriebsphasen gewahrt bleibt. Das System ist flexibel erweiterbar und kann einfach auf unterschiedliche Bordnetzanforderungen innerhalb einer Fahrzeugplattform oder Fahrzeugmodellreihe angepasst werden. Die dezentralisierte Anordnung intelligenter eFuses führt zu verbesserter Betriebseffizienz und großer Skalierbarkeit. Da die eFuses nach Auslösen automatisch wieder einschaltbar sind, müssen sie nicht manuell zugänglich sein, was zu weniger Kabelbaumlänge mit entsprechenden Gewichts- und Kosteneinsparungen sowie reduziertem Bauraumbedarf führt und die Transformation zur zonalen E/E-Architektur begleitet, Bild 2.

iConF ist für Bordnetzspannungen zwischen 12 und 48 V ausgelegt. Sowohl bei den iPDMs als auch den ACMs werden bei der Hardware auf der Logikebene identische Komponenten eingesetzt, was zu weniger Variantenbildung auf der Softwareseite beiträgt. Die Software selbst ist standardisiert, jedoch flexibel skalier- und konfigurierbar. Die Hardware auf der Leistungsebene ist skalierbar und wird dem jeweiligen Bedarf entsprechend angepasst. Durch die Übernahme standardisierter Hardware vereinfacht diese Lösung die Produktionsprozesse und vermindert die Komplexität.

Bei der Auslegung von Sicherungen – sowohl Schmelzsicherungen als auch eFuses – muss eine Vielzahl an Anforderungen berücksichtigt werden, die sich aus dem jeweiligen Use-Case ergeben. Die Basisfunktion ist der Überstromschutz. Bild 3 zeigt schematisch das I²t-Diagramm (Grenzlastintegral) eines beispielhaften Leitungsstrangs, der über eine Sicherung abgesichert werden soll. Die blaue Kurve repräsentiert dabei den maximalen Strom im Leitungskreis, der bei normaler Systemfunktion des angeschlossenen Verbrauchers maximal auftritt. Bei einem Defekt, zum Beispiel einem Bauteilfehler, fließen höhere Ströme, das heißt der Stromverlauf wandert auf die Seite rechts der blauen Kurve. Die grau gestrichelte Linie markiert den Verlauf der gewünschten Auslösung einer eFuse. Die softwarebasierte Applikation der eFuse-Lösung von FORVIA HELLA berücksichtigt multidimensionale Kriterien wie Strom, Spannung sowie Temperatur und deren zeitliche Dynamik. Durch Anpassung der verschiedenen Parameter kann mit iConF eine Auslösekurve entwickelt werden, die einen optimalen, auf die spezifische Anforderungen abgestimmten Schutz bietet.

FORVIA HELLA kann auf eine lange Tradition der Zusammenarbeit mit Entwicklungspartnern in Spezialbereichen wie die Chipherstellung zurückblicken und hat sich in den vergangenen Jahrzehnten als Innovationstreiber in der Hard- und Softwareentwicklung etabliert. Aus diesen Kooperationen heraus entwickelt FORVIA HELLA das eFuse-Konzept der nächsten Generation, die iConF. Diese basiert auf gezielt abgestimmten bedarfsgerechten ASICs. Die iConF stützt sich auf mehr als 15 Jahre eFuse-Entwicklung ab und bietet derzeit die einzige skalierbare und flexible Technologie am Markt, die alle kritischen Anwendungsfälle adressiert, bei denen konventionelle eFuses Probleme verursachen können. Für die vollständige Abdeckung der eFuse-Anforderungen bietet die iConF:

• flexible Charakteristik und Skalierbarkeit
• Pre-Charging von Lasten
• Unterstützung von „Always On“-Systemen mit geringem Ruhestrom
• Selbstschutz bei gleichzeitiger sicherer Energieversorgung
• sichere Versorgung in allen Steuergerätezuständen, z. B. beim Flashen
• Unabhängigkeit vom Microcontroller
• echte ASIL-fähige Energieversorgung.

Im Vergleich zu den Standardchips bieten ASICs Kostenvorteile und erheblich größere Applikationsmöglichkeiten, da sich die Systemparameter frei programmieren lassen. Lastspitzen werden noch sicherer erkannt und durch intelligente Energieverteilung abgefedert. Statt einfachem Überhitzungsschutz tritt somit die Absicherung der Lastversorgung in Sinne einer maximalen Verfügbarkeit wichtiger Systemfunktionen in den Vordergrund.

Der Ansatz der iConF wird zu einem umfassenden Sicherungskonzept ausgebaut, welches die theoretischen Vorteile optimal in praktisch anwendbare Funktionalitäten überführt. Damit geht ein grundlegender Paradigmenwechsel einher, von einem reaktiven System hin zu einer proaktiven Absicherung. Das System verteilt und managt die Energien im Bordnetz, bevor eine Abschaltung zu unverhersehbaren Auswirkungen führt und hohe Kosten verursacht. Die dezentrale Architektur fördert die Systemmodularität, was zu geringerem Aufwand für die Hard- und Softwareentwicklung, die Applikation und das Testing sowie die Wartung führt, bei weiter gesteigerter Robustheit und Funktionsgüte. Zudem wird eine nahtlose Integration in künftige E/E-Architekturen von ‚Software defined Vehicles‘ (SDVs) ermöglicht. Das neue Sicherheitskonzept auf Basis der iConF ist bereits Teil einer Serienentwicklung und geht nach heutigem Stand schon 2027 in Serie.

Die konsistente Hardware- und Softwareentwicklung eröffnet die Möglichkeit, zusätzliche Erfassungs- und Überwachungsfunktionen in das eFuse-Konzept zu integrieren. Durch reale oder virtuelle Sensoren können eFuses künftig Anomalien bei Stromverbrauch, Stromfluss und Spannung frühzeitig erkennen und gegensteuern. Dafür arbeitet FORVIA HELLA an neuartigen KI-Methoden und cloudbasierten digitalen Zwillingen, mit deren Hilfe die Möglichkeiten der vorausschauenden Wartung weiter verbessert werden. Anhand der Langzeitdaten von Komponenten wie Aktuatoren und Sensoren werden derzeit Algorithmen entwickelt, die Systemanomalien erkennen und in die vorausschauende Wartung einbringen. Das unterstützt die Potenziale von eFuses als intelligentes Diagnosewerkzeug. Die Integration von prädiktiven Wartungsdiensten in die eFuses erfolgt in den nächsten Jahren.

Zusammenfassung und Ausblick

Um die künftigen Anforderungen an eFuses umsetzen zu können, sind funktionssichere und kostenoptimale Lösungen notwendig. Noch im Jahr 2025 geht eine modulare eFuse-Plattform auf Basis der eFuse-Systementwicklung von FORVIA HELLA bei einem deutschen Premium-Automobilhersteller in Serie, die sich maßgeschneidert auf die jeweiligen Anforderungen abstimmen lässt. Voraussichtlich 2027 wird die iConF, eine eFuse mit spezifisch ausgelegtem ASIC, auf den Markt kommen. Im Vergleich zu Standardchips bieten ASICs Kostenvorteile und erheblich größere Applikationsmöglichkeiten, da sich die Systemparameter frei programmieren lassen. Auf der Logikebene werden dabei identische Hardwarekomponenten eingesetzt, was zu weniger Variantenbildung auf der Softwareseite beiträgt. Die Software selbst ist standardisiert, jedoch flexibel skalier- und konfigurierbar. Die Hardware auf der Leistungsebene ist skalierbar und lässt sich dem jeweiligen Bedarf entsprechend anpassen. Die Vorteile sind unter anderem höhere Funktionsgüte und geringere Kosten. Dieses Konzept ist zudem Wegbereiter neuer E/E-Architekturen mit zentralisierten Steuergerätetopologien, die speziell auf das SDV ausgelegt sind.

Weiter in die Zukunft reichen Konzepte, bei denen iConF zu einem System weiterentwickelt wird, das Anomalien erkennt durch das Management der Energie gegensteuert, bevor eine Abschaltung zu unvorhersehbaren Auswirkungen führt und hohe Kosten verursacht. Mit der Einführung von prädiktiven Systemfunktionen, die unter anderem auf dem Einsatz moderner KI-Methoden und cloudbasierter digitaler Zwillinge basieren, ist ab 2029 zu rechnen. FORVIA HELLA ist damit Treiber wirtschaftlich attraktiver und technisch fortschrittlicher Bordnetzlösungen für künftige Fahrzeugarchitekturen. Das zukunftsorientierte eFuse-Konzept iPDM mit dem Vorgänger des iConF wurde 2024 mit dem PACEpilot Award der Zeitschrift Automotive News sowie einem Award der CLEPA, dem europäischen Dachverband der Automobilzulieferer, gewürdigt. (na)