Implementierung einer intelligenten Energieverteilung im SDV

Der Begriff SDV wird häufig verwendet, um einen Paradigmenwechsel in der Fahrzeugkonzeption zu beschreiben, bei dem Software zunehmend von der Hardware entkoppelt wird. Die Diskussionen konzentrieren sich jedoch oft ausschließlich auf die Softwareaspekte, wie zentralisierte Rechenleistung, Datenverarbeitung, Fahrzeugnetzwerke und serviceorientierte Softwarearchitekturen. Doch auch die Hardware-Seite sollte beachtet werden, insbesondere im Hinblick auf die ebenso neue elektrische/elektronische (E/E) Architektur, die sich derzeit in Richtung einer Zonenarchitektur entwickelt. Ein zentrales Element dieser Transformation ist die Dezentralisierung und Elektrifizierung der Energieverteilung. Dieser Ansatz reduziert die Komplexität und die Kosten der Verkabelung, verhindert Störungen bei ausfallsicheren Systemen und ermöglicht ein effizienteres Energiemanagement durch aktive Steuerung des Energieflusses während der Fahrt und im Parkzustand. Mit der Elektrifizierung des Energiebordnetzes ermöglichen die eFuse-Funktionen – Schaltfähigkeit, Diagnosefähigkeit und Konfigurierbarkeit – eine softwarebasierte Systemoptimierung in SDVs (Bild 1).

Warum verändert das SDV-Konzept das Energiebordnetz?

Unter Energieverteilung versteht man den kontrollierten Transport der elektrischen Energie von den Quellen zu allen Endpunkten in einem Fahrzeug über das Energiebordnetz (EBN). Das EBN ist in seiner Funktion in eine primäre Energieverteilung mit hohen Stromstärken nahe der Quelle und eine anschließende sekundäre Energieverteilung mit geringeren Stromstärken unterteilt. Die primäre Verteilung ist die erste Instanz, die die elektrische Energie auf genau definierte Versorgungsleitungen aufteilt, entweder direkt zu Anwendungen mit hohen Stromstärken wie Bremsen, Lenkung, Fahrwerk und Zentralcomputer oder zur sekundären Energieverteilung. Basierend auf dem Zonenkonzept der E/E-Architektur ist die sekundäre Verteilung dezentralisiert und in dem Zonensteuergerät integriert.

Intelligente Energiearchitektur im Fahrzeug der Zukunft

Die Elektrifizierung und Automatisierung von Fahrzeugen stellen neue Anforderungen an das Bordnetz. Intelligente Stromverteilung mit eFuses, Zonenarchitekturen und 48-V-Technik ermöglicht höhere Effizienz, funktionale Sicherheit und flexible Energieflüsse im Fahrzeug.

David Martinez

Mit neuen SDV-Anwendungen kann der Gesamtleistungsbedarf von 3 kW auf bis zu 9 kW ansteigen, was gleichzeitig zu höheren Leistungsverlusten im System führt. Um diese Verluste zu minimieren und ausreichend Energie bereitzustellen, wird eine 48-V-Spannungsklasse eingeführt, die sich auf das gesamte Energiebordnetz auswirkt: Die primäre 12-V-Energieverteilung wird auf 48 V umgestellt, während die sekundäre Energieverteilung über längere Zeiträume sowohl 48-V- als auch 12-V-Endpunkte versorgen muss. Deswegen ist eine zonale 48-V/12-V-DC/DC-Spannungswandlung erforderlich.

Das EBN ist für hochverfügbare Systeme von besonderer Bedeutung. Es ermöglicht die Stromversorgung einzelner sicherheitsrelevanter Fahrzeugfunktionen, darunter Bremsen, Lenken und Umgebungswahrnehmung, und muss daher ebenfalls hochverfügbar sein. Aufgrund der sicherheitsrelevanten Fahrzeugfunktionen muss das Energiebordnetz die erhöhten Sicherheitsanforderungen und die entsprechenden Entwicklungsanforderungen erfüllen, die in der Norm ISO 26262:2018 definiert sind. Die funktionalen Sicherheitsanforderungen, beispielsweise für automatisiertes Fahren und X-by-Wire, verlangen, dass das gesamte EBN nach ASIL D entwickelt wird.

Anforderungen an Verfügbarkeit und Schutz im Bordnetz

Die Notwendigkeit einer hochverfügbaren Stromversorgung hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Architektur des Energiebordnetzes im Fahrzeug. Um eine hohe Verfügbarkeit zu ermöglichen, insbesondere in sicherheitskritischen ASIL-D-Anwendungen, müssen die primäre und sekundäre Energieverteilung mit redundanten Versorgungswegen und Mechanismen zur schnellen Fehlerisolierung ausgelegt werden.

Elektronische Sicherungen (eFuses) dienen in diesen Architekturen als zentrale Sicherheitselemente. Als halbleiterbasierte, rücksetzbare Bauteile integrieren sie einen High-Side-Treiber und eine DMOS-Leistungsstufe zur Steuerung des Stromflusses, kombiniert mit integrierten Selbstschutz- und Diagnosefunktionen. Damit ermöglichen sie eine autonome, schnelle Fehlererkennung und -isolierung direkt am Lastpunkt, wodurch eine Fehlerausbreitung verhindert und die Stromversorgung über redundante Pfade aufrechterhalten wird.

Um den strengen Anforderungen sicherheitskritischer Fahrzeugsysteme gerecht zu werden, müssen Design und Entwicklung von eFuses der Norm ISO 26262 entsprechen und robuste, redundante ASIL-D-Stromversorgungskonzepte unter allen Betriebsbedingungen unterstützen.

Wichtige Anwendungsfälle für eFuses in SDVs

Da die eFuse sowohl als Sicherheitselement im Energiebordnetz als auch im Zusammenhang mit SDV zum Einsatz kommt, muss sie eine Reihe von Aufgaben übernehmen, damit die Systemanforderungen erfüllt werden, was zu spezifischen Anwendungsfällen führt.

Laststeuerung und Selbstschutz als Grundfunktionen

Elektronische Sicherungen steuern Lasten und schützen sich dabei selbst. Dazu gehören sowohl einfache Ein-/Aus-Schaltvorgänge als auch PWM-fähige Steuerungen, die die EMV-Anforderungen erfüllen. Die eFuse muss sicherstellen, dass die Last innerhalb eines definierten Strom-Zeit-Intervalls konstant versorgt und nicht unbeabsichtigt vom Versorgungssystem getrennt wird. Dabei muss der sogenannte sichere Betriebsbereich (Safe Operating Area, SOA) der Lasten eingehalten werden (Bild 2). Gleichzeitig schützen integrierte Schutzmechanismen die eFuse vor Überspannung und thermischer Belastung. Um thermische Überlastung zu vermeiden, sind sowohl Übertemperatur- als auch Überstromschutzfunktionen integriert. Der Überstromschutz soll schneller auf ein Überstromereignis wie einen Kurzschluss reagieren. Dadurch wird die thermische Belastung in der eFuse reduziert – sowohl während des Überstromereignisses als auch während der Entmagnetisierung des angeschlossenen Leiters nach dem Trennen.

Leitungsschutz im elektrischen Bordnetz

Die eFuse muss zudem den Kabelbaum, einschließlich Steckverbindern und Leiterbahnen, vor thermischer Überlastung schützen. Dieser Leitungsschutz definiert einen geschützten Bereich des Energiebordnetzes. Um eine Überhitzung des Kabelbaums zu verhindern, begrenzt die eFuse den zulässigen Temperaturanstieg der Leitung (ΔT), indem sie den Strom misst, diesen in ein I²t-Verhalten über die Zeit umsetzt und mithilfe eines Tiefpassfilters erster Ordnung in den thermischen Bereich überführt. Unterschiedliche Leitungsquerschnitte und Verlegungsbedingungen erfordern unterschiedliche I²t-Schutzstufen pro Bauteil, und präzise Schutzcharakteristiken ermöglichen eine Optimierung des Leitungsquerschnitts. Die eFuse sollte einen eigenständigen Hardware-Schutz bieten, der auch dann aktiv bleibt, wenn das Steuergerät nur eingeschränkt funktionsfähig ist oder sich im Stand-by-Modus befindet, sodass keine Softwareunterstützung erforderlich ist.

Wie unterstützen eFuses den Schutz des Energiebordnetzes?

Diese zuvor genannten Funktionen müssen für den Anwendungsfall Energiebordnetzschutz ergänzt werden. Die eFuse muss elektrische Fehler jeder Art schnell isolieren, um das Energiebordnetz vor Spannungsabfällen zu schützen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Versorgungsspannung für alle hochverfügbaren Lasten innerhalb des definierten Spannungs- und Zeitbereichs eingehalten wird. Um neben dem Leitungsschutz sowie den integrierten Selbstschutzfunktionen gegen Übertemperatur (OT) und Überstrom (OC) einen wirksamen Energiebordnetzschutz zu gewährleisten, ist eine schnelle Abschaltfunktion erforderlich. Diese ermöglicht Abschaltzeiten von weniger als 50 µs, die durch ein externes Signal angesteuert werden.

Der SSD-Schutz: Datensicherheit für Software-definierte Autos

SDVs speichern sensible Daten – ein Sicherheitsrisiko, das nicht unterschätzt werden darf. FerriSSDs setzen neue Maßstäbe in Sachen Verschlüsselung, Telemetrie und Datenintegrität. So bleiben die Fahrzeuge geschützt gegen Cyberangriffe und Hardwareausfälle.

Redundanz und Trennung in sicherheitskritischen Systemen

Ein Anwendungsfall im fail-operational Betrieb von eFuses ist das Verbinden oder Trennen zweier Energiebordnetze. Eine schnelle Trennung kann dazu beitragen, dass Teilenergiebordnetze im Fehlerfall weitgehend unabhängig bleiben und sich möglichst wenig gegenseitig beeinflussen. Umgekehrt ermöglicht eine kontrollierte Verbindung die Energieübertragung zur Absicherung von Redundanz, was insbesondere für autonome Fahrfunktionen relevant ist. Ein unabhängiger, bidirektional einstellbarer Schutz wird eingesetzt, um Fehler unabhängig von der Stromflussrichtung zu handhaben und eine Rückspeisung in ein ausgefallenes Teilenergiebordnetz zu vermeiden. Diagnose-, Überwachungs- und Selbstdiagnosefunktionen unterstützen den zuverlässigen Betrieb, während softwarekonfigurierbare Strategien und Fallback-Einstellungen ein definiertes Verhalten ermöglichen, auch wenn die steuernde ECU nicht verfügbar ist.

Betrieb und Schutzfunktionen im Parkmodus

Neben Anwendungsfällen der funktionalen Sicherheit erfordern SDV-Funktionen häufig, dass sie auch im geparkten Zustand teilweise aktiv bleiben. Dazu zählen etwa Telematik, Fernwartung, Fahrzeugzugang und Ladevorgänge. In diesem Zusammenhang versorgen eFuses im Ruhemodus ausgewählte Lasten auch während des Parkens mit Strom und halten dabei ihre eigene Stromaufnahme möglichst gering. Im Ruhemodus liegt diese typischerweise unter 50 µA, sofern sich die Lasten in einem Zustand mit geringer Stromaufnahme befinden. Gleichzeitig sollen unnötige Spannungsabfälle vermieden werden, indem die eFuse den Ruhemodus automatisch verlässt, wenn die Last beispielsweise einen zyklischen Weckstrom benötigt. Schutzmechanismen und ihre ASIL-Zuordnung bleiben auch im Parkmodus verfügbar und werden klar signalisiert – ein Flag wird gesetzt, sobald ein Schutzmechanismus anspricht oder eine unerwartet hohe Stromaufnahme einer Last erkannt wird.

Forvia Hella gibt strategische Entwicklung mit ADI bekannt

Forvia Hella hat sich mit Analog Devices zusammengetan, um eine Komplettlösung für die vereinfachte Integration und Steuerung des Bordnetzes in modernen Fahrzeugarchitekturen zu entwickeln. Der Serienstart soll 2028 erfolgen.

Wie liefern eFuses Daten für Diagnose und Energiemanagement?

Zu guter Letzt fungieren eFuses als dezentrale Sensoren. Auf Anfrage liefern sie zuverlässige physikalische Daten wie Spannung, Strom, Temperatur und den Temperaturanstieg der Leitungen (ΔT) sowie Informationen zum Systemstatus. Diese Daten sind unter anderem für SDV-Funktionen wie flottenbasierte Kalibrierung, prädiktive Diagnose und die dynamische Anpassung von Schutzschwellenwerten relevant. Softwaredefinierte Standard- und Sicherheitsfunktionen helfen zudem, die Energieverteilung an sich weiterentwickelnde Fahrzeugfunktionen und Sicherheitskonzepte anzupassen. Ebenso lassen sich eFuses über digitale Schnittstellen wie SPI konfigurieren, sodass integrierte Funktionen wie Kabelbaumschutz, Überstromschutz-Einstellungen oder der Fail-Safe-Status per Software angepasst werden können. Dadurch kann eine einzelne Hardwarekomponente per Software für unterschiedliche Anwendungen oder Einbauorte genutzt werden. Das zeigt auch, wie SDVs die Stromverteilung verändern – und welche Rolle eFuses dabei spielen.

Bild 3 zeigt die beschriebenen Anwendungsfälle und die vielfältigen Vorteile von eFuses in Form von intelligenten Leistungsschaltern oder Gate-Treibern + MOSFETs, die Sicherungen und Relais in einem elektrifizierten Stromverteilungssystem ersetzen.

eFuse-Lösungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche

Die beschriebenen eFuse-Funktionen und Anwendungsfälle finden sich in spezialisierten Bauteilfamilien wieder. Infineon bietet verschiedene eFuse-Lösungen für Schaltungsschutz, Laststeuerung und Energieverteilung mit hoher Verfügbarkeit in SDV-Architekturen an. Ein Beispiel ist der PROFET™ Wire Guard, eine eFuse für integrierten Leitungs- und Systemschutz mit integrierter I²t-Berechnung, die sich an Leitungsprofil und Systemanforderungen anpassen lässt. Das Bauteil verfügt über einen automatischen Ruhemodus, der im Parkbetrieb die Laststeuerung und Selbstschutzfunktionen aufrechterhält und dabei die Stromaufnahme reduziert. Mit einem einstellbaren Überstromschwellenwert ermöglicht es eine definierte und schnelle Fehlerabschaltung in der Stromversorgung. Zudem ist das Bauteil gemäß ISO 26262 für sicherheitsrelevante Anwendungen ausgelegt.

Der SPOC Wire Guard bietet einen eigenständigen, hardwarebasierten Leitungsschutz mit integrierter I²t-Funktionalität und lässt sich über digitale Schnittstellen wie SPI konfigurieren. Ein Ruhemodus reduziert die Stromaufnahme im Parkbetrieb. In Kombination mit einem konfigurierbaren Überstromschutz ermöglicht das Bauteil eine schnelle und präzise Fehlerabschaltung und wird mit einem Safety-Manual für die Integration in Fahrzeugsicherheitssysteme gemäß ISO 26262 bereitgestellt. Ein vom Kunden programmierbarer nichtflüchtiger Speicher erlaubt die Ablage von Konfigurationen, einschließlich sicherer Zustände, und unterstützt so nachträgliche Anpassungen im Feldbetrieb. Eine konfigurierbare Unterspannungsabschaltung ermöglicht eine prioritätsabhängige Absicherung von Lasten und trägt zur Stabilisierung des Energiebordnetzes bei.

Für Anwendungen mit höheren Strömen bietet die Kombination aus EiceDRIVER™ APD und MOSFET eine diskrete Lösung. Der EiceDRIVER APD vereint die Funktionen der Wire-Guard-Familien. Der OptiMOS™ LinearFET kann als Trennschalter eingesetzt werden und zeichnet sich durch einen niedrigen Durchlasswiderstand (R(DSon)), einen breiten sicheren Betriebsbereich sowie gute Parallelschalteigenschaften im linearen Betrieb aus. Er ermöglicht eine kontrollierte Begrenzung von Einschaltströmen während des Ladens eines Kondensators und eine höhere Energiebelastbarkeit bei langsamen Schaltvorgängen und Kurzschlussbedingungen. Darüber hinaus reduziert die Lösung sowohl die Systemkomplexität als auch die Stückliste, da weniger externe Schutzkomponenten benötigt werden und keine separate Vorladeschaltung erforderlich ist.

Mit iConF vom Kabelschutz zum proaktiven Fehlermanagement

Fahrzeuge mit fortschrittlichen automatisierten Fahrfunktionen benötigen ein Bordnetz, das ein Höchstmaß an Systemverfügbarkeit auch bei Defekten am Kabelstrang oder an den angeschlossenen Verbrauchern gewährleistet. Hier kommen heute eFuses zum Einsatz.

Die Rolle von eFuses in künftigen SDV-Konzepten

Ein zentraler Aspekt der Funktionsweise von SDVs ist die Cloud-Konnektivität und die Möglichkeit, Software zu aktualisieren, was eine kontinuierliche Optimierung von Fahrzeugfunktionen und Sicherheit ermöglicht. SDVs erzeugen täglich eine sehr große Menge an Fahrzeugdaten, die in der Cloud analysiert und für vorausschauende Wartung sowie datenbasierte Entwicklung genutzt werden. In diesem Zusammenhang trägt eine intelligente Verteilung der elektrischen Energie mit eFuses durch die Bereitstellung kontinuierlicher und zuverlässiger Daten zu einer verbesserten Energieeffizienz und einem besseren Energiemanagement im Fahrzeug bei. Insbesondere liefert der Datenaustausch auf Anfrage präzise physikalische Daten, die für SDV-Funktionen wie flottenbasierte Kalibrierungsverbesserungen, prädiktive Diagnose und die dynamische Anpassung von Schutzschwellenwerten relevant sind.

(bs)