Kfz-Elektronik Schaltungsschutz fürs Auto

Globale Initiativen mit dem Ziel, den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen zu verringern, stellen die Automobilbranche vor besondere Herausforderungen. Zu den am häufigsten angewandten Strategien der Hersteller zählen die Reduzierung der Fahrzeugmasse sowie der Umstieg auf Hybrid- und Elektroantriebe. Gleichzeitig nimmt die Vernetzung im Auto zu. Alle diese Ansätze verlangen nach neuen Lösungen für den Schaltungsschutz.

Wichtige Designkriterien im Automobilbau sind heute ein verbesserter Kraftstoffverbrauch und weniger Emissionen von Treibhausgasen wie zum Beispiel Kohlendioxid. Elektro- und Hybridfahrzeuge stellen offensichtliche Lösungen für beide Herausforderungen dar.

Doch auch die Gewichtsreduzierung bietet wesentliche Vorteile, da eine geringere Fahrzeugmasse und Rollreibung den Energiebedarf und den CO2-Ausstoß effektiv reduzieren können.

Neben einer höheren Komponentenintegration und dem Einsatz neuer Werkstoffe, mit denen sich das Fahrzeuggewicht reduzieren lässt, zählt auch das Gewicht des Kabelbaums zu den zentralen Themen und hat Entwicklungsingenieure dazu veranlasst, ihre Konzepte zum Schutz der Leistungselektronik im Fahrzeug vor Hochstrom-Fehler-zuständen zu überdenken.

Die Herausforderung besteht vornehmlich darin, Schaltkreisschutzlösungen beizubehalten beziehungsweise zu integrieren, welche die Fahrzeugelektrik vor potenziellen Überlastzuständen schützen, und gleichzeitig die Gesamtkosten und das Gesamtgewicht zu senken.

Weil in einem typischen Auto gegebenenfalls Hunderte von elektrischen Schaltkreisen und mehr als ein Kilometer Leitungen verbaut sind, kann die Komplexität des Leitungssystems dazu führen, dass herkömmliche Schaltkreisdesigns nur schwer zu verwenden sind, wodurch es oft zu unnötigen »Sicherheitszuschlägen« beim Design kommen kann. Viele Hersteller nutzen daher eine dezentralisierte Architektur und rücksetzbare PPTC-Überstromschutzbausteine (Polymer Positive Temperature Coeffizient; polymere Kaltleiter), um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren.

Bild 1 veranschaulicht den Unterschied zwischen einer herkömmlichen zentralisierten und der neuartigen dezentralisierten Architektur. Ein zentralisierter Ansatz setzt voraus, dass jedes Modul durch eine separate Sicherung abgesichert wird, die im zentralen Verteilerkasten (gelb) sitzt. In dieser sternförmigen Architektur muss jede Funktion zudem mit einer separaten Leitung ausgestattet sein, was Gewicht und Kosten erhöht. Im Gegensatz dazu lassen sich die Kabel in einer dezentralisierten Architektur, in der verschiedene Verteilerkästen von Leistungsbussen versorgt werden, jeweils durch einen rücksetzbaren Schutzbaustein absichern.

Überwachung von Batteriemodulen

In der Vergangenheit war der dünnste Draht, der in Fahrzeugen verwendet wurde, durch die mechanische Festigkeit bedingt mindestens 0,35 mm2 stark und konnte Ströme zwischen 8 A und 10 A leiten. Diese Grenze hob einige der Vorteile auf, die sich aus der Verwendung von PPTC-Bausteinen für Schwachstromsignalkreise (z.B. unter 8 A) ergaben. Dank der heute erhältlichen Drahtmaterialien können jetzt jedoch Drähte mit viel kleineren Durchmessern für bestimmte Stromleitungskapazitäten (z.B. maximal 5 A bei 0,13 mm2 Leitungsdurchmesser) hergestellt werden.

Dieser Fortschritt spart, kombiniert mit einer verteilten Architektur und PPTC-Überstromschutzbausteinen, zusätzlich Gewicht ein. Obwohl es Jahre dauern kann, bis sich Elektrofahrzeuge etabliert haben, sind einige Hersteller davon überzeugt, dass die Zeit für emissionsfreie Fahrzeuge in Massenfertigung schon gekommen ist.

Die Elektrofahrzeug- und Batteriebranchen stehen zurzeit im Rampenlicht, wenn es um die Entwicklung zukunftsorientierter Transporttechnologien geht, und die Bemühungen in Forschung und Entwicklung konzentrieren sich auf Batteriespeicherleistungen und kürzere Batterieladezeiten.

Der Schaltungsschutzbereich von TE Connectivity (siehe Kasten »Aus Tyco Electronics wird TE Connectivity«) arbeitet derzeit mit Fahrzeug- und Batterieherstellern an der Entwicklung neuer Technologien und Lösungen für diesen Marktsektor.

Bild 2 verdeutlicht, wie sich die PPTC-Technologie bei der Übertemperaturerkennung in Batteriemodulen von Elektro- und Hybridfahrzeugen einsetzen lässt. In diesem Beispiel erfasst ein Wärmesensor-Array Anomalien einzelner Zellen.

Da an einem PPTC-Baustein angelegte Wärme den elektrischen Widerstand des Bausteins schnell nichtlinear ansteigen lässt, kann diese Lösung die Zellentemperatur rasch und genau erfassen. Wie hier dargestellt, wird eine heiße Zelle durch einen steilen Anstieg des Widerstands mit der angegebenen Erfassungstemperatur markiert.

Elektronik statt Mechanik

Immer mehr vormals mechanische Funktionen werden von elektronischen Anwendungen übernommen (z.B. Servolenkung und elektronische Parksysteme). Diese leistungsstarken Hochtemperaturanwendungen stellen höhere Anforderungen an die Leistungselektronik. Dies kann zu ernsten thermischen Problemen führen, wenn Bausteine wie Leistungs-MOSFETs, Kondensatoren, Widerstände oder ICs aufgrund rauer Umgebungs-bedingungen versagen.

Leistungsstärkere Power-Komponenten, die Nutzung von Designtechniken, mit denen sich die Wärme gleichmäßiger verteilen lässt, und die Verwendung neuer Kühlkörpermaterialien zählen zu den Lösungsansätzen, um das thermische Management zu verbessern. Nichtsdestotrotz verlassen sich Ingenieure zur Eingrenzung thermischer Instabilitäten, die durch Bausteinversagen oder korrosionsbedingte Erwärmung entstehen können, stark auf sekundäre Schutzkomponenten. Der am häufigsten verfolgte Ansatz nutzt Thermosicherungen beziehungsweise thermische Abschalter (Selbstschalter/TCOs) oder Temperaturschalter. Beide Bausteine bieten breit gefächerte und spezifische Temperatur-Aktivierungsmerkmale in Gleich- und Wechselspannungsanwendungen, bringen aber Schwierigkeiten bei der Leiterplattenmontage mit sich.

Da für immer mehr Leiterplatten nur SMD-Bausteine verwendet werden, kann der Einsatz eines Bausteins für die Durchsteckmontage besondere Montageverfahren erfordern. Kosten und Komplexität steigen also wieder. Zudem bieten Standardbausteine gegebenenfalls nicht die Robustheit und Zuverlässigkeit, die für Kfz-Anwendungen erforderlich sind. Kfz-geeignete Komponenten hingegen werden umfassend getestet, damit sichergestellt ist, dass sie die strengen Stoß- und Vibrationsspezifikationen erfüllen und die richtigen Gleichspannungsnennwerte mitbringen. Der Schaltungsschutzbereich von TE Connectivity hat vor kurzer Zeit einen reflowlötbaren thermischen RTP-Schutzbaustein (Reflowable Thermal Protection) vorgestellt.

Hierbei handelt es sich um eine sekundäre Schutzvorrichtung, die den Strom unterbricht und zusätzlich vor Schäden aufgrund von Bausteinversagen und Überhitzen der Leiterplatte schützt. Dank dieser Lösung entfällt im Allgemeinen der Bedarf an Kühlkörpern, redundanten MOSFETs und Relais in elektronischen Steuereinheiten, Kühlanwendungen, ABS-Systemen, Servolenkungssystemen, Gleichspannungswandlern und PTC-Heizungen.

Scharf gemacht

Wie in Bild 3 dargestellt, verfolgt der RTP-Baustein die Temperatur des MOSFETs, wenn er in dessen nächster Nähe angebracht ist. Übersteigt der MOSFET dabei seine normale Betriebstemperaturgrenze, sodass der RTP-Baustein auslöst und die Verbindung zur Batterie trennt.

Der SMD-Baustein lässt sich schnell und einfach mithilfe branchenstandardmäßiger Pick-and-Place- sowie bleifreier Reflow-Ausrüstung verarbeiten.

Damit das RTP-Element im Einsatz bei +200 °C öffnet, wird ein einmaliger elektronischer Aktivierungsprozess eingesetzt, sodass es scharf geschaltet wird.

Vor der Aktivierung kann es drei bleifreien Reflow-Lötdurchläufen mit Spitzentemperaturen von über +200 °C widerstehen, ohne geöffnet zu werden.

Das Scharfschalten kann automatisch bei Hochfahren des Systems oder im Rahmen der Produktion bei abschließenden Tests erfolgen.

Das vernetzte Auto

In unserer heutigen Infotainment-Umgebung gibt es zwei Trends, die das Gesicht des Kfz-Designs rapide verändern: Unterhaltungselektronik im Auto und drahtlose Vernetzung. Fahrzeug- und Mobilgerätehersteller sind sich der zunehmenden Verbrauchernachfrage nach Einbindung digitaler Geräte im Auto bewusst, die der Konnektivität zu Hause oder im Büro in nichts nachstehen soll.

Die heutigen Fahrzeuge sind zu mobilen Netzwerken geworden. Sie integrieren zahlreiche verschiedene Funktionen und bieten eingebettete Steuerungen, mobile Medien und Wireless-Optionen.

Anwendungen wie Infotainment, Telematik, Sicherheit und elektronische Steuerungen setzen die Verwendung verschiedener etablierter Vernetzungsstandards wie LIN, CAN, MOST, IDB-1394, FlexRay, byteflight und Bluetooth für eingebettete Steuerungen voraus, um nur einige zu nennen.

Der Bluetooth-Standard hat neue Marktchancen für mobile Elektronikgeräte geschaffen, die mit dem Fahrzeug und den dazugehörigen Systemen wie zum Beispiel Handys, MP3-Player und Navigationsgeräten kommunizieren können. Der Schutz der exponierten Kommunikationsschnittstellen vor elektrostatischen Entladungen und sonstigen Spannungsspitzen über die Antenne und die HF-Schnittstelle des Geräts zählt zu den wichtigsten Gesichtspunkten beim Design.

Bild 4 zeigt, wie eine durch Polymermaterial geschützte Zenerdiode (»PolyZen«) den Leistungseingang eines Bluetooth-Moduls schützt. Der Baustein sorgt für einen integrierten Überstrom- und Überspannungsschutz. Auch kommen polymerbasierende PESD-Bausteine geringer Kapazität zum Schutz der Antenne vor Schäden durch elektrostatische Entladungen zum Einsatz.

Über den Autor:

Tony Cilluffo ist Business Development Manager im Geschäftsbereich Schaltungsschutz bei TE Connectivity

Aus Tyco Electronics wird TE Connectivity
Auf der Hauptversammlung am 9. März 2011 stimmten die Aktionäre zu, den Namen von Tyco Electronics auf TE Connectivity zu ändern.