Nový modul chrání autonomní elektromobily před selháním palubních systémů

Autonomní elektromobily jsou poháněny dvěma zdroji: vysokonapěťovou baterií a konvenční dvanáctivoltovou baterií, která napájí vozidlo při volnoběhu a při vysokém zatížení během jízdy. Systémy kritické z pohledu bezpečnosti, jako jsou brzdy nebo řízení, proto mohou být připojeny k oběma zdrojům elektřiny. Co se stane, když nastane porucha jednoho z nich, např. zkrat? Aby se zabránilo úplnému selhání, a tím potenciálně nebezpečné situaci, spojili se vědci z Fraunhoferova ústavu pro spolehlivost a mikrointegraci IZM s partnery projektu HiBord, aby vyvinuli elektronické odpojovací zařízení, které je schopné izolovat jakékoliv poruchy v elektrických systémech vozidla. Tento modul byl již úspěšně testován ve voze BMW i3. 

Podle optimistického odhadu německé společnosti ADAC (Allgemeiner Deutscher Automobil-Club e. V.) bude v roce 2050 zhruba 70 % nových automobilů vybaveno technikou, která řidičům umožní věnovat se při jízdě na dálnici jiným činnostem než řízení. Naproti tomu jsou kritici tohoto vývoje znepokojeni množstvím dosud nezodpovězených otázek. Bude autonomní systém spolehlivý i v nebezpečných situacích? A co se stane, jestliže vozidlo zabrzdí v důsledku elektrického zkratu v jeho elektronických systémech?

Projekt HiBord a jeho výsledek

Současná architektura elektrických systémů autonomních vozů běžně předpokládá, že při hrozícím přepětí v důsledku poruchy budou ohrožené systémy odpojeny. Podle tohoto uspořádání je tedy postižená součástka v případě poruchy vypnuta. Co se týče autonomních vozidel, je toto řešení přípustné jedině tehdy, jsou-li veškeré komponenty a palubní elektrické systémy redundantní, tj. jsou vždy instalovány včetně záložních systémů. Avšak uvedené řešení je drahé a také náročné na zástavbový prostor, obzvláště jde-li o palubní elektrické systémy. V souvislosti s řešením projektu HiBord vytvořili vědci z Fraunhoferova ústavu IZM spolu s partnery z průmyslu a Fraunhoferova ústavu integrovaných systémů a techniky komponent (IISB – Institut für Integrierte Systeme und Bauelementtechnologie) společný tým, který vyvíjel odpojovací zařízení, jež vypne veškeré vadné součástky, avšak nadále zajistí napájení komponent kritických z pohledu bezpečnosti. Toto řešení zaručuje bezpečnou jízdu bez nutnosti instalovat duplikované palubní systémy.

Projekt HiBord sponzoruje německé Spolkové ministerstvo školství a výzkumu (BMBF – Bundesministerium für Bildung und Forschung) dotační částkou 3,65 milionu eur při celkovém rozpočtu 6,3 milionu eur. Mezi partnery projektu patří společnosti BMW AG, Fraunhoferův ústav integrovaných systémů a techniky komponent IISB, Fraunhoferův ústav pro spolehlivost a mikrointegraci IZM, společnosti Kromberg & Schubert Automotive GmbH & Co. KG, Robert Bosch GmbH, Siemens AG a smartCable GmbH. Více lze o projektu zjistit na webových stránkách https://www.elektronikforschung.de/projekte/hibord.

Dostatek času na přepravu do bezpečí

Takto lze popsat princip, který představuje významný pokrok v oblasti bezpečnosti autonomní jízdy. Výzkumný pracovník IZM Philip Arnold vysvětluje: „U běžných systémů může jakýkoliv pokles napětí vyústit v náhlou nenapravitelnou poruchu veškeré palubní sítě – včetně systému brzd a řízení. Takové riziko je nepřípustné, obzvláště při vysokých rychlostech. Avšak díky našemu novému modulu zůstane část palubního elektrického systému i nadále funkční, takže plně autonomní vozidlo by mělo mít stále dostatek času dopravit pasažéry do bezpečí – například zajet do odstavného pruhu na dálnici nebo na parkoviště.“

V oblasti výkonové elektroniky používají inženýři k odpojení či blokování obvodů polem řízené tranzistory MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). Nově vyvinuté odpojovací zařízení (obr. 1) je vybaveno šestnácti tranzistory MOSFET, a je proto schopné odpojit proud až 180 A. Je-li tato hranice překročena, např. při zkratu, elektrický přepínač odpojí obvod od zdroje napájení. Navíc díky tomu, že tranzistory MOSFET dokážou odpojit proud až 300 A, pracují v této úloze hluboko pod svým maximálním povoleným zatížením, a mají tudíž podstatně delší životnost než běžná zařízení.

Šedesátkrát rychlejší než běžné pojistky

Během testů, při kterých výzkumníci záměrně navozovali zkraty, se potvrdilo, že moduly jsou schopné spolehlivě izolovat proud až 700 A, aniž by se zkrat šířil. Moduly vykazují přednosti před konvenčními systémy také z pohledu rychlosti spínání. Zatímco obvyklá pojistka odpojí obvod za asi 20 ms, tranzistorové odpojovací zařízení detekuje poruchu během 10 µs a k následnému vypnutí dojde za dalších 300 µs. Díky tomu je odpojovací zařízení více než 60krát rychlejší než současné systémy založené na běžných pojistkách.

Závěr

Modul byl již úspěšně testován v elektricky poháněném předváděcím vozidle BMW i3 a je navržen tak, aby byl využitelný princi­piál­ně v jakémkoliv elektromobilu. Díky ochraně před celkovou poruchou, která by mohla následovat po náhlém problému s palubním elektrickým systémem, tento vývoj představuje průlom v cestě k bezpečné a spolehlivé autonomní jízdě.

[Research News. A new electronic module safeguards self-driving vehicles against the total failure of onboard electrical systems. Fraunhofer IZM, prosinec 2020.]

(jh)

Obr. 1. Elektronický modul zajišťuje nouzový provoz v autonomních vozidlech