Konzept und Validierung eines 48V-Bordnetzes für By-Wire-Lenksysteme

Dreyer, Stefan Maximilian; Leonhardt, Steffen; Eckstein, Lutz

doi:10.18154/RWTH-2021-03086

Konzept und Validierung eines 48V-Bordnetzes für By-Wire-Lenksysteme = Concept and validation of a 48V vehicle grid for by-wire-steering systems

Dreyer, Stefan Maximilian^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Maximilian Dreyer

ImpressumAachen : Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource

ReiheSchriftenreihe Automobiltechnik ; 239/21

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Eckstein, Lutz (Thesis advisor)^RWTH* ; Leonhardt, Steffen (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-03086
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/816254/files/816254.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Kraftfahrzeuge (ika) (414110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
48V power supply (frei) ; fail safe power supply (frei) ; power distribution unit (frei) ; steer-by-wire (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Reduktion der CO\textsubscript{2}-Emission und die damit verbundene Elektrifizierung der Fahrzeuge und das automatisierte Fahren sind zwei Megatrends, die die Automobilindustrie in den vergangenen Jahre dominiert haben. Damit verbunden ist die Einführung des 48V-Bordnetzes, welches derzeit maßgeblich die Versorgung leistungsintensiver, innovativer und sicherheitsrelevanter Verbraucher sicherstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wird nach einer einführenden Betrachtung der Lenkanlage im Kraftfahrzeug auf die Aspekte der funktionalen Sicherheit gemäß der ISO 26262 eingegangen. In diesem Kontext werden kurz Redundanzkonzepte und Ausfallraten von Komponenten beschrieben. Weiterhin werden aktuelle Bordnetze und deren Topologien betrachtet, die darin integrierten typischen Verbraucher und Energiequellen, wobei das 48V-Bordnetz im Vordergrund steht. Im Zusammenspiel mit By-Wire-Lenksystemen konnten als Fehlerfälle Kurzschlüsse sowie Isolationsfehler mit anschließendem Lichtbogen als besonders kritisch für sicherheitsrelevante Verbraucher identifiziert werden. Diese lassen das Bordnetz im Falle eines Kurzschlusses zusammenbrechen, sodass eine sichere und zuverlässige Energieversorgung nicht mehr gegeben ist. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird eine Bordnetztopologie für By-Wire-Lenk\-anlagen vorgeschlagen, die sich als Inselsystem in bisherige Bordnetzarchitekturen integrieren lässt. Diese sieht zwei Aktuatoren sowie zwei Energiequellen vor, welche als Minimalanforderungen im Bordnetz vorhanden sein müssen. Zentrale Instanz dieses 48V-Bordnetzes ist die Power Distribution Unit (PDU). Diese unterteilt das Bordnetz in einzelne Domänen, die kontinuierlich überwacht werden. Ihr Aufgabe ist es dabei, Fehler im Bordnetz bzw. in Komponenten zu detektieren und bei Bedarf die fehlerbehaftete Domäne abzuwerfen. Hierbei ist das Ziel, eine Fehlerausbreitung zu verhindern zu somit die Funktion des nicht fehlerbehafteten Bordnetzes weiterhin zu gewährleisten. Im Fortgang wird detailliert auf die Auslegung der PDU eingegangen. Hierbei wird insbesondere der Fokus auf die Anforderungen und die Auswahl der Halbleiter gelegt, da im Fehlerfall Ströme bis zu ca. 1000 A abgeschaltet werden müssen. Hierzu werden Schaltverluste und Temperaturverhalten der Halbleiter in verschiedenen Fehlerszenarien simuliert, um sicherzustellen, dass die Bauteile während des Abschaltens nicht überlastet werden. Weiterhin wird eine Diagnosemöglichkeit zur Detektion von latenten Fehlern innerhalb der Halbleiter beschrieben. Als entscheidender Parameter ist die Reaktionszeit der PDU identifiziert worden. Das schnelle Erfassen eines Fehlers bedeutet kleinere Abschaltströme, was die Anforderungen an die Halbleiter reduziert. In der konkreten Umsetzung wurden Reaktionszeiten von unter 40 \si{\micro\second} realisiert, wodurch der Spannungseinbruch im 48V-Bordnetz limitiert werden konnte. Im direkten Vergleich zu Schmelzsicherungen, bei welchen das Bordnetz für bis 250 ms auf unter 24 V zusammenbricht, konnte somit die Stabilität der Spannungsversorgung mittels der PDU derart gesteigert werden, dass auch sicherheitskritische Komponenten zuverlässig versorgt werden können.

The reduction of CO\textsubscript{2}-emissions and the associated electrification of vehicles and automated driving are two megatrends that have dominated the automotive industry in recent years. This is closely linked to the introduction of the 48V on-board power grid, which currently ensures the supply of high-performance, innovative and safety critical components. In the context of this work, after an introductory consideration of the steering system in the motor vehicle, the aspects of functional safety according to ISO 26262 are discussed. In this context, redundancy concepts and failure rates of components are briefly described. Furthermore, current on-board power grids and their topologies are discussed, as well as typical electrical loads and energy sources integrated therein. Here, the focus will be on the 48 V system. In combination with by-wire steering systems, short-circuits and insulation faults with subsequent arcing were identified as particularly critical for safety-relevant consumers. In the event of a short circuit, these cause the vehicle electrical system to collapse briefly, so that a safe and reliable power supply is no longer guaranteed. A brief initial safety assessment and a corresponding classification with ASIL D shows that the design of the energy supply plays a decisive role. In this context, the highest system requirement can be formulated that an inadmissible lateral displacement of the vehicle, e.g. due to lack of steering function, must be prevented safely. The central instance of this 48 V electrical system is the Power Distribution Unit (PDU). It splits the vehicle electrical system into individual domains that are continuously monitored. The PDU's task is to detect faults in the vehicle electrical system or in components and, if necessary, to shed the faulty domain. The primary goal is to contain the fault and thus to guarantee the function of the non-faulty electrical system. Within this work, the design of the PDU will be described in detail. In particular, focus will be set on the requirements and the selection of the semiconductors, as currents of up to approx. 1000 A have to be switched off in the event of a fault condition. Switching losses and temperature behavior of the semiconductors are simulated in various error scenarios to ensure that the components are not overloaded during the switching-off instance. Furthermore, a simple diagnostic functionality for the detection of latent defects within the semiconductors is described. Moreover, the response time of the PDU has been identified as the decisive parameter. The rapid detection of a fault means smaller switch-off currents, which reduces the burden on the semiconductors and thus less thermal stress. In the concrete implementation, response times of less than 40 \si{\micro\second} were realized, which allows the voltage drop in the 48 V electrical system to be limited which still guarantees minimum component functionality. In direct comparison to fuses, where the vehicle electrical system sags to voltages below 24 V for up to 250 ms, the stability of the voltage supply by means of the PDU can be increased in such a way that even safety-critical components can be reliably supplied.

OpenAccess:
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