Schwerpunkte

Den Totalausfall vermeiden

Trennmodul schützt autonome Fahrzeuge vor Bordnetz-Ausfall

02. Dezember 2020, 11:00 Uhr   |  Irina Hübner

Trennmodul schützt autonome Fahrzeuge vor Bordnetz-Ausfall
© Fraunhofer IZM/Volker Mai

Das Trennmodul stellt einen Notbetrieb in autonomen Fahrzeugen sicher.

Ein Kurzschluss im Bordnetz. Das ist ein Szenario, für das es beim autonomen Fahren Lösungen zu finden gilt. Ein elektronisches Trennelement, wie es Wissenschaftler des Fraunhofer IZM entwickelt haben, könnte einen Totalausfall verhindern.

In Bezug auf autonomes Fahren gibt es noch diverse ungeklärte Fragen: Kann ein automatisches System auch im Notfall zuverlässig reagieren und was passiert, wenn es durch einen sich ausbreitenden Kurzschluss zusammenbricht?

In aktuellen Bordnetzarchitekturen hoch- und vollautomatisierter Fahrzeuge ist es üblich, den betroffenen Bereich durch eine Überlastsicherung abzugrenzen. Dieser Aufbau führt allerdings dazu, dass die betroffene Komponente im Fehlerfall gänzlich abgeschaltet wird. Für das hoch- und vollautomatisierte Fahren ist eine solche Vorgehensweise nur dann möglich, wenn alle Komponenten und das Bordnetz redundant, also doppelt vorhanden sind. Ein vor allem im Falle des Bordnetzes teurer sowie platz- und gewichtstreibender Ansatz.

Um die Sicherheit während der Fahrt auch ohne ein zweites Bordnetz hochzuverlässig zu gewährleisten, haben Forscher des Fraunhofer IZM im Projekt HiBord deshalb gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB ein Trennelement entwickelt, das die fehlerhafte Komponente des Bordnetzes abschaltet und die Versorgung von sicherheitsrelevanten Komponenten trotzdem gewährleistet.

Die Fahrt auf den Standstreifen ist noch möglich

Was wie ein Sparansatz klingt, ist in punkto Sicherheit eine wesentliche Verbesserung für das autonome Fahren. Phillip Arnold, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IZM, erklärt: »Mit den bisherigen Systemen kann es bei Unterspannungen während der Fahrt zu einem abrupten und unkontrollierten Ausfall der gesamten Elektronik, also auch der Lenk- und Bremssysteme kommen. Gerade bei hohen Geschwindigkeiten ist das ein nicht tolerierbares Risiko. Dank unseres neuen Moduls funktioniert ein Teil des Bordnetzes weiter und das vollautomatisierte Auto hat noch ausreichend Zeit, um die Passagiere in einen sicheren Bereich, zum Beispiel auf einen Standstreifen oder Parkplatz, zu fahren.«

Das neu entwickelte Trennelement verfügt über 16 MOSFET-Schalter und kann bis zu 180 A problemlos leiten. Wird dieser Schwellwert, etwa bei einem Kurzschluss überschritten, öffnet der elektrische Schalter und trennt den Strom. Da die MOSFET-Schalter sogar bis 300 A belastbar sind, werden sie weit unter ihrer Belastungsgrenze betrieben und weisen dadurch eine deutliche höhere Lebensdauer auf als bisherige Lösungen.

60-mal schneller als übliche Sicherungssysteme

Im Rahmen von Tests erzeugten die Forscher künstliche Kurzschlüsse. Die Ergebnisse zeigen, dass das Elektronikmodul bis zu einer Stromstärke von 700 A zuverlässig isolieren kann, ohne dass sich der Kurzschluss ausbreitet. Auch die Schaltschnelligkeit weist klare Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Prinzip auf: Während eine übliche Schmelzsicherung rund 20 ms zum Auslösen benötigt, detektiert das Trennelement einen Fehler binnen 10 µs und löst innerhalb von 300 µs aus. Damit ist es über 60-mal schneller als derzeitige Sicherungssysteme.

Erfolgreicher Test

Das fertige Modul wurde bereits in einem elektrischen BMW i3-Demonstrator erfolgreich getestet und ist so ausgelegt, dass es prinzipiell in jedem Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann. Als Ausfallschutz für unerwartete elektronische Ereignisse stellt es einen wegweisenden Schritt dar, um das autonome Fahren sicher und zuverlässig zu realisieren.

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