Demosystem für elektronische Sicherungen Mehr Intelligenz im Bordnetz

Mehr intelligente elektronische Sicherungen im Bordnetz durch ein neues Demosystem.
Ein neues Demosystem für eleketronische Sicherungen erlaubt es, die Vorzüge dieser Lösung konkret zu erproben.

Die Absicherung des Bordnetzes verharrt noch immer in der elektronischen Steinzeit. Schmelzsicherungen sind zwar in der Anschaffung günstig, dafür bieten intelligente elektronische Sicherungen auf ­Systemebene erhebliche technische Vorteile und senken die ­Gesamtkosten.

Thermische Sicherungen sind langsam, unkomfortabel und müssen gesammelt zentral und leicht zugänglich untergebracht werden, da im Falle einer Auslösung das Bauteil händisch vom Endanwender ausgetauscht werden muss. Elektronische Sicherungen weisen diese Nachteile nicht auf.

Gebräuchliche Sicherungen im Automobil lösen nach etwa 20–50 ms bei 10-fachem Nennstrom aus. Eine elek­tronische Sicherung kann hier drei bis vier Größenordnungen schneller sein. Zudem ermöglicht sie eine wesentlich exaktere Definition des Maximalstromes. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kabelbäume viel exakter und dünner definieren, was Gewichts- und Kostenvorteile verspricht. Elektronische Sicherungen können eigentlich überall verbaut werden und müssen nicht über eine zen­trale Sicherungsbox geführt werden. Diese Eigenschaft ermöglicht kürzere Leitungswege (Gewichtsersparnis) und erlaubt zudem, erstmals wirklich managementfähige Baumstrukturen aufzubauen, in denen niedriger und höher priorisierte Zweige an einem Hauptstrang hängen und über eine zentrale Steuereinheit zu- oder abgeschaltet werden können. Auf diese Weise lassen sich auch Hauptstränge deutlich schlanker auslegen als bisher, weil beim Maximalstrom kein Worst-Case-Szenario mehr berücksichtigt werden muss, sondern aktiv vermieden werden kann. Der Verzicht auf eine zentrale Sicherungsbox ist also konstruktiv ein großer Vorteil. Gleichzeitig profitiert aber auch der Anwender: Wenn Bordnetzfehler auftreten, bekommt er die Fehler einfach räumlich eingegrenzt angezeigt und kann von der Zentraleinheit bei der Fehlersuche angeleitet werden. Darüber hinaus ist er nicht darauf angewiesen, im Falle des Falles jeweils die passende Sicherung zur Hand zu haben. Fehler beim Austausch der Sicherung sind ebenfalls ausgeschlossen.

Vernetzung verkürzt Laststromleitungen

Schaut man einige Jahrzehnte zurück, so waren die verlegten Leitungen im Kraftfahrzeug in erster Linie Laststromleitung. Schalter wurden in der Regel direkt in den Stromkreis gelegt. Ein gesetzter Blinker etwa schloss den Kontakt zu einem Blinkrelais, dies wieder schloss direkt die Kontakte der Blinkleuchten an die Batteriespannung.

In den 90er Jahren begann die Vernetzung: Man versuchte in erster Linie Steuerleitungen zu verlegen und die Lastleitungen so kurz wie möglich zu halten. Der bereits erwähnte Blinker schloss dann den Kontakt für einen (deutlich kleineren) Steuerstrom; später wurde nur noch ein Sensor ausgewertet, der feststellte, dass der Schalter betätigt war. Der eigentliche Schaltvorgang wurde vom zuständigen Steuergerät ausgeführt, und die stärkeren Leitungen für den Laststrom waren deutlich kürzer. Die seit damals dramatisch angewachsene Anzahl der Steuergeräte und vernetzten Funktionen hat diesen Gewichtsvorteil wieder aufgebraucht. So hat ein modernes Mittelklassefahrzeug deutlich mehr als 1,5 km verlegte Leitungen.

Überdimensionierung verhindern

Diese verlegten Leitungen müssen abgesichert werden. Am Beispiel der Leitung eines Schiebedaches lässt sich das Dilemma moderner Bordnetze aufzeigen, die zwischen der Forderung nach immer mehr Sicherheit, Komfort und Funktionalität bei gleichzeitiger Verringerung des Gewichtes und der Kosten ein optimales Design finden sollen. Ein Schiebedach sollte so ausgelegt werden, dass selbst bei angefrorener Dichtung das Dach angefahren – also losgerissen – werden kann. Dieser Abreißstrom soll mit 30 A angenommen werden. Die zugehörige Sicherung kann aber nicht zu 30 A gewählt werden, da über die Lebensdauer eines Fahrzeugs eine Sicherung altert. Typischerweise wird ein Aufschlag von rund 20 % zugegeben und entsprechend eine 40-A-Sicherung gewählt.

Würde man eine für den Normalbetrieb völlig ausreichende 2,5-mm²-Leitung bei einer angenommenen maximalen Umgebungstemperatur von 70 °C (auf die ein Bordnetz ausgelegt werden muss) für die erwähnten 50 ms mit dem 10-fachen Nennstrom – also 400 A – beaufschlagen, so würde die erlaubte Temperatur von 105 °C deutlich überschritten. Deshalb muss hier die nächstdickere Leitung, in diesem Fall 4 mm², gewählt werden. Dies führt jedoch zu einer Gewichtssteigerung von mehr als 40 %. Eine nicht alternde intelligente Sicherung kann dagegen schon bei deutlich niedrigeren Strömen auslösen – sofern man das wünscht und entsprechend programmiert. Eine solche Sicherung ist zudem in der Lage, auch innerhalb von weniger als 50 µs auszulösen. Im vorliegenden Fall wäre man deshalb bereits mit 2,5-mm²-Leitungen klar auf der sicheren Seite. Rechnet man dieses Beispiel hoch auf viele andere Anwendungsfälle, bei denen eine intelligente, anwendungsorientierte Sicherung eine Überdimensionierung der Leitung verhindern hilft, kommt leicht eine Ersparnis von 5–8 kg Kupfer zusammen. Zum Zeitpunkt der Recherchen für diesen Artikel lag der Kupferpreis bei ca. 6,50 Euro pro kg – Tendenz steigend. Ein Teil der Ersparnis würde sicherlich durch die aufwändigeren intelligenten Sicherungen wieder aufgezehrt. Aber bei der zu erwartenden Strafzahlung von 95 Euro pro Gramm CO2, das über dem Grenzwert für den Flottenverbrauch liegt, ist noch ein weiterer starker Anreiz vorhanden, möglichst viel Gewicht und entsprechend auch Kupfer einzusparen.

Plausibilitätsprüfung im Fehlerfall

Eine intelligente Sicherung kann aber noch mehr. So ist sie in der Lage, reale Temperaturen zu messen und damit unrealistische Fälle außer Acht zu lassen. Bei Außentemperaturen deutlich über Null ist beispielsweise nicht mit einem Festfrieren des Schiebdachs zu rechnen. Grundsätzlich können elektronische Sicherungen weit schneller auslösen als Schmelzsicherungen und zusätzlich auch priorisieren. Dies hilft, in gemeinsamen Zuleitungen weiter Kupfer einzusparen.

So muss z.B. bei der Auslegung der Zuleitung für eine Tür berücksichtigt werden, dass möglicherweise sämtliche elektrische Verbraucher in der Tür gleichzeitig bedient werden, also Spiegelverstellung, Spiegel anklappen, Blinker, elektrischer Fensterheber etc. Weil bei solchen Spitzenbelastungen normale Sicherungen auslösen können, muss sich der Hersteller fragen, ob er im Zweifel den Komfort des Nutzers einschränken will und das gleichzeitige Ausführen bestimmter Funktionen unterbindet. Eine intelligente Sicherung kann dagegen den realen Strom messen und ans Steuergerät melden, das dann eine Priorität festlegt und im Zweifel Verbraucher niedrigerer Priorität ausschaltet. Dies geschieht aber nicht über eine generelle – möglicherweise vom Nutzer nicht nachzuvollziehende – Blockade von Funktionen, sondern rein bedarfsgesteuert und kann dem Nutzer u.U. auch noch angezeigt werden. Da der Strom grundsätzlich gemessen wird, ist er für jeden Teilstromkreis bekannt. Dies ermöglicht in vielen Fällen eine zusätzliche Plausibilisierung von Funktionen. So ließe sich etwa verhindern, dass bei einem abgestellten Fahrzeug versehentlich oder fehlerhaft ein hoher Strom die Fahrzeugbatterie leersaugt. Die intelligente elektronische Sicherung hat also viele Vorteile, doch noch ist ihr Entwicklungsprozess nicht abgeschlossen.