Stromverteilereinheit und Hochvolt-Bordnetze von Moser Fahrzeugtechnik

Die Stromverteilereinheit – englisch Power Distribution Unit (PDU) – ist die zentrale Sicherheits- und Steuerungskomponente in den elektrischen Fahrzeugarchitekturen (E/E-Architekturen) moderner Elektro- und Hybridfahrzeuge. Sie löst das Problem des sicheren Energiemanagements in Hochvoltsystemen (400 bis 800 Volt Gleichspannung, in der Spitze bis zu 1000 Volt), die traditionelle 12- oder 24 -Volt-Niedervoltsysteme zunehmend ablösen.

Zwar senken diese hohen Spannungen den Leitungsquerschnitt, das Gewicht des Kabelbaums und die thermischen Verluste, gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an die Sicherheit. Beim DC-Schnellladen oder bei starker Beschleunigung fließen hohe Ströme von 400 bis über 800 Ampere. Die PDU routet und sichert diese Energiemengen präzise ab. Sie verhindert unkontrollierte Kurzschlüsse und schließt das Risiko thermischer Ausfälle bis hin zum Durchgehen der Batteriezellen (Thermal Runaway) aus.

Als spezialisierter Engineering-Partner für diese Hochvolt-Topologien entwickelt und fertigt die Moser Fahrzeugtechnik GmbH maßgeschneiderte Hochvolt-Bordnetze sowie modulare Stromverteilereinheiten. Unsere Lösungen fokussieren sich auf die speziellen Anforderungen bei der Prototypenentwicklung sowie auf die komplexen Einsatzbedingungen im Sonderfahrzeugbau.

Individuell entwickelte UAV-Verkabelung für engen Bauraum

Die Power-Distribution-Unit (PDU) fungiert als primäres Kontrollzentrum für das Hochvolt- und Niedervolt-Energiemanagement im Fahrzeug. Sie steuert, verteilt und überwacht die elektrische Energie im Bordnetz und bildet das Rückgrat für den Betrieb der Traktionssysteme und Nebenaggregate. Während in Verbrennerfahrzeugen einfache Relaisverteiler ausreichten, handelt es sich bei der Automotive-PDU um einen mikroprozessorgesteuerten Leistungsverteiler. Die PDU verteilt die Hochspannungsenergie von der Traktionsbatterie zielgerichtet zu diversen Konsumenten. Zu diesen Verbrauchern zählen der Inverter (Wechselrichter) in Kombination mit dem elektrischen Traktionsmotor, der On-Board-Charger (OBC) für das AC-Laden, der DC/DC-Wandler zur Speisung des 12V/24V-Bordnetzes, der elektrische Klimakompressor (HVAC) sowie PTC-Heizelemente zur Batterietemperierung.

Mehr erfahren

Das Innenleben einer Stromverteilereinheit besteht aus spezialisierter Leistungselektronik. Hochvolt-Schütze (HV-Contactors) sind elektromechanische Relais, die das kontrollierte Öffnen und Schließen der Hauptstromkreise übernehmen. Da beim Schalten unter Last bei 800 Volt Lichtbögen entstehen, verfügen diese Schütze über Mechanismen zur Lichtbogenlöschung (Arc Suppression). Eine direkte Verschaltung der Batterie mit hochkapazitiven Verbrauchern wie den Zwischenkreiskondensatoren des Traktionsinverters würde einen hohen Einschaltstrom (Inrush-Current) erzeugen, der Schütze verschweißen oder Kondensatoren zerstören könnte. Die PDU implementiert zwingend einen Vorladeschaltkreis (Pre-Charge-Schaltkreis), bestehend aus einem Vorladeschütz und einem Vorladewiderstand. Der Strom wird zunächst über den Widerstand geleitet. Die Dimensionierung erfolgt anhand der nachgelagerten Schaltungskapazität (beispielsweise 1250 Mikrofarad). Das Ziel ist es, diese Kapazität innerhalb eines Zeitfensters von unter 100 Millisekunden auf mindestens 95 Prozent der Nennspannung der Batterie aufzuladen. Das Batteriemanagementsystem (BMS) verifiziert diesen Spannungsausgleich, woraufhin die Hauptschütze verlustfrei schließen.

Die physikalische Leistungsverteilung im Gehäuse der HV-PDU erfolgt über Stromschienen, sogenannte Busbars, aus Kupfer oder Aluminium, die häufig vernickelt sind. Diese Bauteile reduzieren den elektrischen Widerstand und die thermischen Verluste. Auf den Busbars sind Strom- und Temperatursensoren montiert. Moderne Messsysteme nutzen hochpräzise Shunt-Widerstände (0,5 mΩ bis 0,02 mΩ) oder Hall-Effekt-Sensoren – bei hohen Sicherheitsanforderungen auch in redundanter Ausführung –, um den Spannungsabfall zu messen. Ausgestattet mit 16-Bit-Analog-Digital-Wandlern (ADC) kompensieren sie Temperaturschwankungen dynamisch und erfassen Ströme von bis zu ±2.500 Ampere zuverlässig. Für den Leitungsschutz kommen traditionell Hochvolt-Schmelzsicherungen zum Einsatz, die bei Überstrom physisch durchbrennen. Diese weichen zunehmend elektronischen Sicherungen (eFuses oder Halbleiterschaltern). Hochintegrierte Schutzkomponenten kombinieren mittlerweile Schütz, Vorladeschaltkreis und Sicherung. Sie lösen in Bruchteilen einer Millisekunde aus, verhindern Kontaktverschweißungen (Contactor Welding) und lassen sich nach einem Fehlerfall elektronisch zurücksetzen. Diese schnelle Reaktionszeit reduziert die Notwendigkeit großer Sicherheitsmargen (Oversizing) bei der Kabeldimensionierung, was Gewicht spart und dadurch die Reichweiten verlängert.

Abgrenzung im System: Stromverteilereinheit (PDU) vs. Battery Disconnect Unit (BDU) 

Bei modernen E/E-Architekturen übernehmen die Power Distribution Unit (PDU), die Battery Disconnect Unit (BDU) und die Battery Junction Box (BJB) jeweils unterschiedliche Aufgaben.

Die BDU arbeitet als sicherheitskritisches „Safety Gate“ und ist meist tief in das Batteriepaket integriert. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die Batterie bei Kollisionen – oft ausgelöst durch ein Airbag-Signal – oder bei schweren Isolationsfehlern physisch vom Fahrzeug zu trennen. Dafür nutzt sie elektromechanische Hauptschütze sowie reaktionsschnelle pyrotechnische Trennelemente (Pyro-Fuses), die den Stromkreis über eine gerichtete Sprengladung dauerhaft unterbrechen.

Die PDU dient hingegen als nachgelagerter Verteilerknoten (Distribution Hub). Sie nimmt die freigegebene Energie auf und verteilt sie an die verschiedenen Subsysteme. 

 

Mehr erfahren

Moser Fahrzeugtechnik - Elektrotechnik, Fahrzeugbau, Nutzfahrzeuge, Bedieneinheiten, Fahrzeugsteuerungen. Schaltschränke,Prüftechnik, Kabelkonfektion, Steuerpulte, Schwarzwald, Albbruck, Unteralpfen, Schweiz, Hochrhein
Moser Fahrzeugtechnik GmbH
Prototypenbau

Zonen-Architektur und der Trend zur Smart PDU 

Mit dem Trend zum Software-Defined Vehicle (SDV) wandeln sich auch die Fahrzeugarchitekturen in Richtung Domänen- und Zonen-Konzepte (Zonal Architecture). Denn klassische Architekturen mit bis zu 100 einzelnen Steuergeräten (ECU) in Premiumfahrzeugen stoßen zunehmend an ihre physikalischen Grenzen.

Bei der Zonen-Architektur wird das Fahrzeug in verschiedene, räumlich getrennte Bereiche aufgeteilt. Ein Zonen-Controller (ZCU) übernimmt dabei die Funktion einer sekundären Stromverteilereinheit. Die primäre Hochvolt-PDU versorgt diese lokalen Knotenpunkte mit Energie und entwickelt sich so zu einer intelligenten „Smart PDU“.

Auf Komponentenebene ersetzen moderne Smart-Power-Switches auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) die klassischen mechanischen Relais. Hinzu kommen bidirektionale Automotive-eFuses, die programmierbare Auslöse-Stromgrenzen (Trip Current Limits) und konfigurierbare Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten (Slew Rates) bieten. Diese elektronischen Sicherungen passen sich dynamisch an den aktuellen Lastzustand an und reduzieren thermische Verluste.

 

Mehr erfahren

Ein aktueller Trend in der PDU-Topologie ist die funktionale Integration in sogenannte Electric Drive Units (EDU). Dabei fassen Automobilhersteller und ihre Zulieferer wie Moser Fahrzeugtechnik getrennte Hochvolt-Module zu einer zusammenhängenden Einheit zusammen. Aus bisherigen „3-in-1“-Systemen entstehen inzwischen hochintegrierte „12-in-1“-Lösungen. Diese vereinen Motor, Inverter, Getriebe, On-Board-Charger, DC/DC-Wandler, das Batteriemanagementsystem (BMS) und die vollständige PDU in einem einzigen Gehäuse.

Das macht dicke Hochvoltkabel überflüssig und steigert die Spitzeneffizienz des Gesamtsystems deutlich – insbesondere bei modernen 800-Volt-Architekturen. Gleichzeitig sinken die Entwicklungskosten um 15 bis 20 Prozent, während sich die Markteinführungszeit (Time-to-Market) um bis zu 30 Prozent verkürzt.

Bei Nutz-, Bau-, Agrar- und Sonderfahrzeugen stoßen diese hochintegrierten Ansätze in der Praxis jedoch an ihre Grenzen. Aufgrund der oft kleinen Stückzahlen sind fahrzeugspezifische Gussgehäuse wirtschaftlich nicht rentabel. Zudem verlangt die große Vielfalt an hydraulischen Pumpen oder elektrischen Nebenabtrieben (ePTO – electric Power Take-Off) nach flexiblen, modularen PDU-Lösungen.

Sonderfahrzeuge operieren unter widrigen Umweltbedingungen. Ein elektrifizierter Bagger oder ein Kommunalfahrzeug im Winterdienst erfährt tägliche Erschütterungen und ist Streusalz, Schlamm sowie der Reinigung mit Hochdruck-Dampfstrahlern ausgesetzt. Ein Ausfall der Zentralelektrik durch eindringende Feuchtigkeit zieht hohe Folgekosten und Produktivitätsausfälle nach sich. Standardisierte, leichtgewichtige Pkw-Lösungen versagen in diesem industriellen Umfeld. Im Off-Highway-Segment werden stattdessen dezentrale Schaltschrank– und Zentralelektrik-Lösungen präferiert, die eine hohe Robustheit gewährleisten. 

Genau hier sind erfahrene Systemintegratoren gefragt, die komplexe Hochvoltarchitekturen sicher und praxisgerecht in den Nutzfahrzeugbau übertragen.

Modulare Zentralelektrik für E-Mobilität von Moser Fahrzeugtechnik

Anstelle integrierter PDU-Boxen konzipiert Moser Fahrzeugtechnik projektspezifische Schaltschränke, welche die Zentralelektrik beheimaten. Ein modulares Baukastensystem integriert ein Hauptmodul, das durch Steckmodule, Energieverteiler, Relais und Leiterplatten erweitert wird. Platinen mit Multi-Layer-Designs und CAN-Bus-Architekturen koordinieren Energie- und Datenströme und werden dadurch zu intelligenten Zonen-Controllern. Moser Fahrzeugtechnik konstruiert Gehäuse aus Stahlblech, Aluminium oder Kunststoff. Diese werden in Schutzarten von IP44 bis zu IP6K9K für optimale Wasserdichtigkeit zertifiziert. Eine wegweisende Technologie ist die proprietäre, dicht schließende Kabeleinführung. Sie verschließt die Schnittstellen, an denen Kabel eindringen, hermetisch gegen Staub und Kapillarwasser. Da das Gehäuseinnere trocken bleibt, können Standard-Relais und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) verbaut werden, die selbst nicht wasserdicht sind. Dies senkt die Bauteilkosten im Inneren des Hochvolt-Stromverteilers erheblich, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Unsere Geschichte
Moser Fahrzeugtechnik GmbH
Crimpen: Eine Verbindungsmethode, die hält

Hochvolt-Kabelkonfektion und EMV-Abschirmung 

Die Energieverteilung im Hochvolt-Bordnetz erfordert eine leistungsfähige Kabelkonfektion für Spannungen von 400 Volt bis 800 Volt. Moser Fahrzeugtechnik verarbeitet Flachbandleitungen, mehradrige Mantelleitungen und Einzellitzen aus PVC, Silikon oder TPE mittels vollautomatischer Stripper-Crimper-Maschinen. Ein unpräziser Crimp erzeugt einen erhöhten Übergangswiderstand, was bei Strömen von mehreren Hundert Ampere zu Hotspots und dem Risiko von Fahrzeugbränden führt. Vollautomatische Hochleistungsmaschinen mit kontinuierlicher, sensorgestützter Crimpkraftüberwachung garantieren die Verpressungsqualität. Hohe Gleichströme in den Kabeln generieren elektromagnetische Felder, die die CAN-Bus-Kommunikation stören können. Aufwendige Isolationskonzepte, eine strikte HV/LV-Isolation sowie der Einsatz von Hochleistungs-Flechttechnik gewährleisten die geforderte EMV-Abschirmung und mechanische Beanspruchbarkeit im Dauereinsatz.

 

Ein Ausfall der Stromverteilereinheit während der Fahrt kann schwerwiegende Folgen haben. Daher richtet sich die Entwicklung solcher Systeme streng nach der Norm ISO 26262 für funktionale Sicherheit. Am Anfang des Prozesses steht die Gefahren- und Risikoanalyse (HARA). Diese bewertet mögliche Gefährdungen anhand ihres Schweregrads (Severity), ihrer Häufigkeit (Exposure) und der Beherrschbarkeit (Controllability).

Die daraus resultierende Einstufung reicht bis zum höchsten Automotive Safety Integrity Level (ASIL D). Diese Sicherheitsstufe ist beispielsweise zwingend erforderlich, um verschweißte Schütze zu erkennen oder das Drehmoment zu überwachen. Um diese Anforderungen technisch umzusetzen, kommen hardwareseitige Redundanzen und fehlertolerante Mikrocontroller-Architekturen – wie die AURIX TriCore- oder die Stellar-Plattform – zum Einsatz. Sie bieten eine rasche Fehlerisolationszeit von 100 bis 500 Mikrosekunden bei einer Diagnoseabdeckung von 99 Prozent. Tritt ein Fehler auf, überführt das System das Fahrzeug umgehend in einen sicheren Zustand. Die integrierte Steuerplatine (MCU) übernimmt dabei komplexe Diagnoseaufgaben, wie die Isolationsüberwachung und die Erkennung von Erdschlüssen.

Über die funktionale Sicherheit hinaus greift die UN ECE R100. Diese Regelung bildet die Grundlage für die Typgenehmigung und definiert klare Vorgaben für den Berührungsschutz, Kriechstrecken sowie Isolationswiderstände. Kommen die Systeme in anspruchsvollen Umgebungen wie Baumaschinen oder Booten zum Einsatz, erfüllen sie oftmals noch zusätzliche Vibrationsstandards wie den MIL-STD-810G.

Die Entwicklung ausfallsicherer Systeme setzt eine iterative Validierung voraus. Bereits in der Prototypenphase wendet Moser das „Design-for-Manufacturing“-Prinzip an, sodass sich CAD-Daten ohne Architekturbrüche in die Serienfertigung überführen lassen. Vor der Auslieferung durchläuft jedes System eine 100-Prozent-Endprüfung nach branchenüblichen Normen wie der ECE R100, ISO 6469 oder DIN EN 61439. Neben Isolationswiderstandstests, Kurzschlussmessungen und Hochspannungstests umfasst dies auch mechanische Zugtests und Vibrationssimulationen.

Um die Integration beim Kunden zu vereinfachen, erfolgt die Auslieferung nach dem Plug’n’Play-Prinzip. Zentralelektriken und Kabelbäume werden vollständig konfektioniert direkt an das OEM-Montageband geliefert – inklusive robuster Gehäuse und High-Voltage Interlock Loop (HVIL). Da für die Montage kein spezielles Werkzeug benötigt wird und einfaches Verlegen sowie Stecken ausreicht, sinken die Taktzeiten. Gleichzeitig schließt dieses Vorgehen Montagefehler in der Produktion aus und senkt die Gesamtkosten.

Sie suchen einen erfahrenen Partner, der Ihre Hochvoltarchitektur von der ersten CAD-Skizze bis zur serienreifen Plug’n’Play-Lösung begleitet? Sprechen Sie mit unserem Team.

FAQ: Häufig gestellte Fragen zur Stromverteilereinheit

 

Die Stromverteilereinheit fungiert als Kontrollzentrum für das Energiemanagement. Eine integrierte Steuerplatine wertet Sensordaten aus und leitet die Hochspannungsenergie aus der Batterie gezielt über Stromschienen und Hochvolt-Schütze an Verbraucher wie Inverter, OBC und PTC-Heizer weiter.

Der Vorladeschaltkreis verhindert hohe Einschaltströme, die beim direkten Verbinden der Batterie mit den Kondensatoren des Inverters auftreten würden. Er leitet den Strom kurzzeitig über einen Vorladewiderstand, um die Kondensatoren schonend aufzuladen, bevor die Hauptschütze schließen, und verhindert so ein Verschweißen der Kontakte.

Die ISO 26262 definiert die funktionale Sicherheit von Straßenfahrzeugen. Über eine Gefahren- und Risikoanalyse werden Funktionen einem sogenannten Automotive Safety Integrity Level zugeordnet. Sicherheitskritische Prozesse wie die Erkennung klebender Schütze erfordern ASIL D, was den Einsatz fehlertoleranter, redundanter Mikrocontroller erfordert, die das System bei Fehlern in einen sicheren Zustand überführen.

Die Battery Disconnect Unit (BDU) ist tief in das Batteriepaket integriert und dient als „Safety Gate“, das die Batterie bei Kollisionen oder Isolationsfehlern über Pyro-Fuses physisch vom Rest des Fahrzeugs trennt. Die PDU (Stromverteilereinheit) ist der nachgelagerte Verteilerknoten, der die freigegebene Energie verteilt und einzelne Hochvolt-Zweige durch Sicherungen vor Überlast schützt.

Aufgrund der hohen Beanspruchung durch Erschütterungen, Schlamm und Dampfstrahler nutzen Nutzfahrzeuge hochrobuste, spezifisch gefertigte Schaltschränke und modulare Zentralelektriken. Diese Gehäuse erfüllen strenge Schutzarten wie IP6K9K und nutzen proprietäre, dicht schließende Kabeleinführungen, um die innere Elektronik vor Umwelteinflüssen zu schützen.

Sonderfahrzeuge wie Kommunalmaschinen oder Baumaschinen weisen kleine Losgrößen und eine sehr hohe Variantenvielfalt auf. Verschiedene Modelle benötigen unterschiedliche Nebenaggregate oder elektrische Nebenabtriebe. Eine modulare Stromverteilereinheit erlaubt es, das Basismodul durch Steckmodule zu erweitern, ohne das Gesamtsystem für jede Fahrzeugvariante neu entwickeln oder validieren zu müssen.

Sprechen Sie mit uns über Ihr Projekt.

Der persönliche Kontakt zu unseren Kunden ist uns eine Herzensangelegenheit. Darum: Sprechen Sie uns an! Gerne beraten wir Sie persönlich zu Steckverbindungen für Aerospace- und Militärtechnik und entwickeln gemeinsam eine zuverlässige Lösung für Ihr Projekt.

Sprechen Sie uns an!