Measurements and simulation-based characterization of eFuses

Moderne Fahrzeuge basieren auf komplexen Konzepten für das elektrische und elektronische Bordnetz, sogenannte E/E-Architekturen. Die Tendenz geht zu immer komplexeren Architekturen. Besonders die vier großen Trends der zukünftigen Mobilität Connectivity, Autonomy, Shared Mobility, Electrification (CASE) führen zu einer Vielzahl neuer und komplexer Anforderungen.
Die moderne Fahrzeug-Bordnetz-Architektur setzt zunehmend auf elektronische Sicherungen (eFuses) und deren Vorteile. Eine integrierte Strom- und Spannungsmessung ermöglicht es ihnen, wertvolle Informationen über den Zustand des abgesicherten Netzes zu liefern, schnell auf Fehler zu reagieren und Verbindungen inaktiv zu schalten. Eine optimierte thermische Überwachung der Leitungen ermöglicht zudem eine Reduzierung der erforderlichen Kabelquerschnitte und somit eine Kosten- und Gewichtsersparnis. Gleichzeitig sind jedoch völlig neue Betriebskonzepte und Auslegungsmethoden erforderlich. eFuses können programmiert werden, um auf unterschiedliche Betriebsbedingungen zu reagieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass es sich nicht um eine zerstörende Auftrennung des Strompfades handelt und dieser nach Abklingen der Überlastbedingungen wieder zugeschaltet werden kann. Das eröffnet neue Möglichkeiten hinsichtlich Einbauort und Wiedereinschaltkonzept. Diese erweiterten Möglichkeiten bringen gleichzeitig noch mehr Komplexität in das System.
Die Simulation stellt hierbei ein zentrales Werkzeug dar, um ein eFuse-basiertes Bordnetz bereits in der frühen Entwicklungsphase zu evaluieren und zu optimieren. Hierfür sind umfassende Modelle erforderlich, die das Verhalten von eFuses und die verschiedenen Wechselwirkungen mit dem Gesamtsystem berücksichtigen. Die Simulation ermöglicht eine zeit- und kosteneffiziente Untersuchung verschiedener Implementierungsvarianten. Es ist möglich, Betriebskonzepte frühzeitig und umfassend zu optimieren.
Ein solcher virtueller Prototyp ist ebenfalls die Voraussetzung für die Durchführung einer Fehleranalyse. Nur wenn Simulationsmodelle für das nominale Verhalten vorhanden sind, lassen sich Fehler einbauen, um simulativ festzustellen, ob die Betriebsstrategien richtig funktionieren und die Sicherheitskonzepte vollständig und rechtzeitig greifen. Ab einem gewissen Sicherheitsniveau sind Fehlersimulationen in der Funktionalen Sicherheit (ISO 26262) als ein Mittel zur Absicherung des Entwicklungsprozesses deutlich empfohlen bzw. sogar verpflichtend.
Zur konkreten Parametrierung der eFuse-Modelle sind neben Datenblattangaben auch Messungen an der realen Hardware notwendig. Hierfür entsteht ein Messplatz, welcher Spannungsversorgung, eFuses, Leitungen sowie Verbraucher beinhaltet. Mit zeitlich hoch aufgelösten Strom- und Spannungsmessungen wird das Schaltverhalten der Sicherungen bestimmt und in den eFuse-Modellen nachgebildet. Es soll eine frei verfügbare Modelica-Bibliothek entstehen, welche die entwickelten eFuse-Modelle sowie grundlegende Bordnetzkomponenten wie Leitungen, diverse Verbraucher, Stecker, Batterien, Generatoren, … beinhaltet. Auf dieser Basis sollen schließlich wichtige Einsatzszenarien näher untersucht werden, die sich durch die Einführung von eFuses ergeben. Die Ergebnisse dieser Arbeiten werden im Vortrag präsentiert.