Intelligente Energiearchitektur im Fahrzeug der Zukunft

Die konventionellen Blei-Säure-Batterien heutiger Autos sind zwar preisgünstig, jedoch ist ihre Lebensdauer begrenzt und auch in ökologischer Hinsicht sind sie problematisch. Es gibt deshalb Bestrebungen, auf Lithium-Ionen-Akkus, Gleichspannungswandler und Superkondensatoren umzusteigen. Letztere bieten sich insbesondere für kurze Lastspitzen beispielsweise beim Anlassen von Verbrennungsmotoren an. Sie können dadurch die Belastung für die eigentliche Batterie verringern und ihre Lebensdauer verlängern.

Neue Technik hält Einzug in das SDV

Bei der Gruppierung der Bordelektronik vollzieht sich eine Umstellung von Domänen- auf Zonenarchitekturen, die den Verkabelungsaufwand erheblich senken. Von Verteilerkästen (Power Distribution Boxes, PDBs) aus wird der Strom an ZCMs (Zone Control Modules) und elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) verteilt. In den ZCMs und PDBs kommen außerdem intelligente elektronische Sicherungen (eFuses) auf Halbleiterbasis zum Einsatz, die die Funktionen von Schmelzsicherungen und elektromechanischen Rails in sich vereinen. Diese eFuses lassen sich per Software managen und müssen nicht mehr an gut zugänglichen Stellen platziert werden. Somit erlaubt es diese Architektur auch, die Stromversorgung nicht benötigter Funktionen abzuschalten. So genannte PAAT-Funktionen (Powered At All Times), die auch bei geparktem Fahrzeug in Betrieb bleiben müssen, können zudem über den Low-Power-Status der eFuse versorgt werden. Gewichts- und Kosteneinsparungen versprechen ebenfalls 48-V-Bordnetze, die mit niedrigeren Stromstärken und kleineren Leiterquerschnitten auskommen. Bild 1 vergleicht die verschiedenen Konzepte.

Eine Rolle spielt auch die Einführung von Fahrassistenzsystemen und Lösungen für autonomes Fahren. Wird die Kontrolle über das Fahrzeug vermehrt an elektronische Systeme übertragen, werden redundante Stromversorgungen, ein intelligentes Lastmanagement bei Ausfall einer Versorgung sowie Störbeständigkeit verlangt. Grundlage hierfür sind die Normen ISO 26262 und VDA 450.

Infineon übernimmt Automotive-Ethernet-Sparte von Marvell

Mit der geplanten Übernahme des Automotive-Ethernet-Geschäfts von Marvell für 2,5 Milliarden US-Dollar stärkt Infineon seine Position im Automobilmarkt und setzt auf zukunftsweisende Konnektivitätslösungen für softwaredefinierte Fahrzeuge.

Wie die Stromverteilung im Detail aussieht

Bild 2 veranschaulicht die primäre Stromversorgung. Bei der Festlegung der redundanten Eingangsquellen ist unter anderem zu berücksichtigen, welche Lastsprünge im System vorkommen, ob insbesondere bei batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) ein Low-Power-Modus benötigt wird, ob ein bidirektionaler Stromfluss zulässig ist und welche Sicherheitsmechanismen erforderlich sind. 

Unbedingt zu beachten sind die zu erwartenden Lastsprünge und -spitzen. Superkondensatoren und Batterien können hohe Inrush-Ströme liefern, während DC/DC-Wandler und smarte eFuses eine Strombegrenzung besitzen und das Aufladen kapazitiver Lasten unterstützen müssen, damit diese Stromspitzen von nachfolgenden Komponenten ferngehalten werden. 

Niedervolt-Batterien spielen bei Low-Power-Betriebsarten eine zentrale Rolle, denn ihre Selbstentladerate ist minimal und ihre Spannung bleibt anders als bei Superkondensatoren über lange Zeit stabil. Während die Ruhestromaufnahme (IQ) eines DC/DC-Wandlers hoher Leistung nicht vernachlässigbar ist, kann ein DC/DC-Wandler mit niedrigem IQ-Wert die Stromentnahme aus der Hochspannungs-Batterie im Low-Power-Status sogar reduzieren. Mit einem DC/DC-Wandler als sekundäre Eingangsquelle kann die Batterie durch Aktivieren der Mixed-Input-Schalter bei geparktem Fahrzeug aufgeladen werden, indem ein Stromfluss von Vin_2 nach Vin_! ermöglicht wird (Bild 3).

Smarte eFuses und High-Side-Schalter eignen sich hervorragend für Anwendungen mit uni- oder bidirektionalem Stromfluss. Abgesehen von Situationen, in denen eine Batterie geladen werden muss, muss ein bidirektionaler Stromfluss auch dann möglich sein, wenn aus Sicherheitsgründen die Möglichkeit bestehen muss, ein ECU aus mehreren Spannungen oder Domänen zu versorgen. Die Software kann dann bei Ausfall eines Gleichspannungswandlers die Stromverteilung so modifizieren, dass beispielsweise Strom aus der linken Zone an wichtige Funktionen in der Heckzone geleitet wird. Sollten diese zusätzlichen Aufgaben die Batterie überfordern, würde die Fahrzeugsoftware dies mithilfe von Stromsensoren erkennen und daraufhin entscheiden, welche anderen Verbraucher deaktiviert werden können, um die vorrangigen Systeme in Betrieb zu halten. Auch Superkondensatoren können zum Aufrechterhalten der Stromversorgung entscheidender Funktionen genutzt werden – beispielsweise zur Versorgung der Türverriegelung nach einem Unfall.

Welche Ausgänge bietet das System?

Bei der Auswahl der smarten eFuses kommen Aspekte wie etwa ein programmierbarer Leitungsschutz (I²t), das Aufladen von Kapazitäten, Low-Power-Betriebsarten, Pins für Steuerungs- und Konfigurationszwecke, Strom- und Spannungserfassung sowie die funktionale Sicherheit ins Spiel. Welche dieser Features im Einzelfall benötigt werden, hängt vom Betriebs- und Spitzenstrom, der Art des Verbrauchers, eventueller PAAT-Tauglichkeit sowie der ASIL-Einstufung (Automotive Safety Integrity Level) ab. Bei sehr hohem Strombedarf von beispielsweise 30 A oder mehr kommt ein High-Side-Controller in Kombination mit einem externen FET in Betracht, da eine Lösung mit internem FET hier zu hohe Sperrschichttemperaturen erreichen würde. 

Wie Stromschienen in der Ladeinfrastruktur die EV-Ladeleistung erhöhen

Ein Nachteil bei E-Autos ist immer noch die Ladezeit. Die Integration von Busbars in Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge bietet großes Potenzial zur Steigerung dieser Ladeleistung. Allerdings sind einige Herausforderungen zu bewältigen.

Bei niedrigeren Strömen sind dagegen integrierte High-Side-Schalter und smarte eFuses im Vorteil, was die Leistungsfähigkeit und die Kosten angeht. Eine PDB wird dagegen meist mit High-Side-Controllern bestückt, da bei der Versorgung der zahlreichen Zonen durchaus Ströme von einigen hundert Ampere fließen können. Entsprechend der programmierten Leitungscharakteristik kann ein smartes eFuse-Element im Fall eines Überstroms zudem ohne Eingriff des zuständigen Mikrocontrollers selbsttätig abschalten. Bild 4 veranschaulicht die Möglichkeit zum Programmieren der eFuse-Charakteristik.

Die Last- und Spitzenströme bestimmen ebenfalls, ob die Kapazitätsladefunktion eines eFuse-Elements genutzt werden. Smarte eFuses verfügen meist über eine Funktion, die die hohen Inrush-Ströme beim Aufladen von Kapazitäten unterstützt, ohne die MOSFETs zu beschädigen. Der hohe Strom beim Anlaufen eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors verlangt dagegen in der Regel nach einem eFuse-Element mit reduziertem Drain-Source-Widerstand oder nach Verwendung eines externen MOSFET, wenn keine PWM-Ansteuerung oder Strombegrenzung zur Verfügung steht. 

Unbedingt zu berücksichtigen sind auch die Safety-Mechanismen eines eFuse-Elements. Hier geht es insbesondere um die Notlauffunktion, die aktiviert wird, wenn ein Fehler auftritt, wie etwa ein Ausfall der Kommunikation zwischen High-Side-Schalter und SPI-Controller. Bei der Konzeption solcher Notlauflösungen zur Aufrechterhaltung unerlässlicher Fahrzeugfunktionen ist überdies zu überlegen, ob die Ausgänge aktiv bleiben sollen und welche Fehlerbehebungs-Methode angewandt werden soll. Beide Features können bei smarten eFuses vor dem Wechsel in den Notlaufmodus programmiert werden.

Die wichtigsten Systemaspekte beim PDB-Design

Systemdiagnostik, Stückliste, Ein- und Ausgänge sowie die Fehlerbeseitigung sind wichtige Aspekte beim Design einer PDB. Die Systemdiagnostik kann Parameter wie den Fehlerstatus sowie Spannung, Strom und Temperatur eines jeden Schalters umfassen, aber auch Systemparameter wie einen Verlust der Masseverbindung. Zum Messen von Strom und Spannung mit einer Genauigkeit von besser als 1 Prozent können Strom- und Spannungsmessverstärker in Verbindung mit dem eingebauten ADC des jeweiligen Mikrocontrollers herangezogen werden. Reichen 1 bis 5 Prozent Genauigkeit für die Strommessung aus, lässt sich der Bauteileaufwand mithilfe der in den Schalter integrierten Messfunktionen reduzieren, die sich auch hervorragend für Anwendungen eignen, in denen Strom- und Spannungsmessungen im Aktiv- und im Low-Power-Modus benötigt werden.

Vor welchen Herausforderungen steht die Bordnetzbranche 2026?

Welche Herausforderung prägen die Bordnetz- und EDS-Branche in den kommenden fünf Jahren? Wir haben nachgefragt und vier Experten, allesamt Speaker auf dem Bordnetzkongress 2026, geben darauf überraschend unterschiedliche Antworten.

Benjamin Müller

Da PDBs und insbesondere ZCMs mehr als 60 High-Side-Schalter-, Halbbrücken- und eFuse-Ausgänge besitzen, sind am Mikrocontroller über 300 I/O- und ADC-Pins erforderlich. Mit SPI-basierten eFuses und SPI/I2C-I/O-Expandern ist es jedoch möglich, Gehäusegröße und Pin-Count der Mikrocontroller zu optimieren. Wie Bild 5 verdeutlicht, werden für jedes IO-basierte eFuse-Element vier Pins benötigt (EN, Diagnostic Enable, WAKE und ISNS), wobei die I2T-Charakteristik nicht programmierbar ist. Ein SPI-basiertes eFuse-Element dagegen kommt mit nur fünf MCU-Pins aus, und für jeden weiteren Baustein ist lediglich ein Chip-Select-Anschluss nötig. 

Eine zentrale Rolle bei der Festlegung der Fehlerbehebungs-Methode für jedes eFuse-Element spielt die Software. Während Schmelzsicherungen im Fehlerfall den Stromfluss einfach dauerhaft unterbrechen, bieten die smarten eFuses von Texas Instruments die Option, den betreffenden Ausgang nach einer vorgegebenen Zeit wieder zu aktivieren. Im Mikrocontroller können zudem auch komplexere Fehlerbeseitigungs-Algorithmen implementiert werden, die auf dem Abschätzen der Kabeltemperatur beruhen. Dieses Automatisieren der Rückstellcharakteristik macht es einfacher, die PDBs nahe an den jeweiligen Verbrauchern zu platzieren, da die Zugänglichkeit kein Kriterium mehr ist.

Besonderheiten der 48-V-Technik

Anders als bei 12-V-Bordnetzen ist die Lichtbogenbildung bei 48 V ein relevantes Thema, sodass auf ausreichend große Luft- und Kriechstrecken geachtet werden muss. Software in Verbindung mit Strom- und Spannungsmessung hilft, Lichtbögen zu detektieren und die entsprechenden Schalter umgehend zu deaktivieren. Mithilfe von Machine Learning lässt sich außerdem sicherer zwischen Lichtbögen und normalen Stromspitzen unterscheiden, um Fehlauslösungen zu unterbinden. Bild 6 veranschaulicht gängige Ursachen von Lichtbögen in 48-V-Architekturen.

Da noch nicht alle Aktoren und Halbleiter auf 48 V umgestellt sind, werden in vielen 48-V-Architekturen der ersten Generation nach wie vor Wandler zwischen 48 V und 12 V benötigt. Für diese Wandler kommen neben traditionellen Tiefsetzstellern auch fortschrittlichere Topologien wie etwa SCCs (Switched Capacitor Converters) oder STCs (Switched Tank Converters) in Betracht. (na)