Suchen

Die Vorteile der 48-Volt-Fahrzeugelektronik

| Autor/ Redakteur: Gregor Knappik * / Margit Kuther

1879 erhielt Karl Benz ein Patent auf einen Verbrennungsmotor. Kontinuierlich entwickelte sich der „pferdelose Wagen“ zum modernen Auto. Mit der Einführung des 48-V-Bordnetz steht die nächste Evolutionsstufe an. Ein Überblick.

Firmen zum Thema

Weniger Emissionen, höherer Fahrspaß: Das 48-Volt-Bordnetz ist die Lösung.
Weniger Emissionen, höherer Fahrspaß: Das 48-Volt-Bordnetz ist die Lösung.
(Bild: Avnet Silica)

In den letzten 20 Jahren beschleunigte sich der Entwicklungsprozess, da der Verbrennungsmotor durch die Einführung von Elektromotoren Konkurrenz erhielt, die in Hybrid- und zunehmend auch in rein akkuelektrischen Fahrzeugen (EVs) zum Einsatz kommen. In den nächsten zehn Jahren wird sich die Situation nochmals verschärfen, da die persönliche Mobilität derzeit ein radikales Umdenken erfährt. Das Ergebnis wird eine komplette Neukonzeption der Fahrzeugarchitekturen sein – inklusive ihrer Subsysteme, ihrer Steuerungsalgorithmen und ihrer fundamentalen Grundlagen, wie die Betriebsspannung ihrer elektrischen Systeme.

Treiber für Veränderungen: Das Klima und mehr Fahrspaß

Warum der steigende Druck zur Veränderung? Ein immens wichtiger Faktor ist die große Herausforderung, die Auswirkungen der Mobilität auf das Klima zu reduzieren. Die Gesetzgeber führen strenge neue Vorschriften für Fahrzeugemissionen ein. Norwegen beispielsweise sagt, dass bis 2025 alle neuen PKWs emissionsfrei sein sollen. Die Niederlande wollen, dass die Hälfte aller im Jahr 2025 verkauften Autos Elektrofahrzeuge sind. Dänemark will den Verkauf von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bis 2030 einstellen. Bis zum gleichen Zeitpunkt will Indien, dass alle Fahrzeuge einen Akkuantrieb haben, und auch China plant, den Verkauf von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor einzustellen. In der Zwischenzeit verschärfen sowohl die EU als auch die USA ihre Emissionsnormen.

Die zweite treibende Kraft für Veränderungen ist, dass wir heute deutlich mehr von unseren Fahrzeugen verlangen und dass es sinnvoll ist, diesen Wunsch mit elektrischer Energie zu erfüllen. Was früher ein Armaturenbrett mit mechanischem Tacho und Drehzahlmesser war, ist heute ein mit dem Internet verbundenes, App-fähiges Multimedia-Infotainmentsystem. Was früher ein mechanischer Verteiler und Vergaser war, ist heute ein hochentwickeltes Multi-Sensor- und Multi-Aktor-Motorsteuergerät. Und wo früher Parksensoren nur den oberen Ausstattungslinien bestimmter Fahrzeugmodelle vorbehalten waren, wird heute eine steigende Anzahl fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme wie Spurhaltung, adaptive Geschwindigkeitsregelung, Notbremsung, Totwinkelüberwachung und viele weitere Funktionen in immer mehr Fahrzeugklassen eingesetzt.

Neben diesen Komfortmerkmalen wollen Autobesitzer zudem, dass ihre Fahrzeuge mehr Fahrspaß bieten. Das wiederum führt zur Einführung einer elektrischen Servolenkung, elektronisch gesteuerten Automatikgetrieben, aktiver Wankstabilisierung, elektrischer Turboaufladung und sogar elektrischer Traktionsunterstützung. Dies alles summiert sich zu einer nicht unerheblichen Menge an elektrischer Energie, die im Fahrzeug fließt.

48-Volt-Bordnetz: Höhere elektrische Leistung für die Subsysteme

Die reine EV-Technologie bietet zwar eine emissionsärmere Mobilität, sie erreicht aber noch nicht die Reichweite und den Komfort von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Die kurzfristige Lösung für traditionelle Automobilhersteller besteht daher darin, ihre Fahrzeugflotte zunehmend mit Hybrid-Antrieben auszustatten. Eine solche Umstellung führt durchaus zu erheblichen Emissionsreduzierungen und zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs, ohne dass die Anbieter den Sprung zu komplett akkubetriebenen Elektrofahrzeugen wagen müssen.

Dieser Prozess der Hybridisierung begann mit einfachen Maßnahmen wie der Umstellung traditionell motorgetriebener Subsysteme auf elektromotorische Antriebe und endet mit einer eng miteinander verwobenen, co-abhängigen Verbindung von Elektro- und Verbrennungsmotor-Systemen, um sowohl die Antriebsleistung für das Fahrzeug als auch die elektrische Leistung für die Subsysteme zu liefern. Diese größere elektrische Leistung, die für diese Strategie erforderlich ist, zwingt zu einer Umstellung der heutigen 12-V- und 24-V-Bordnetze auf 48 V. Dieser Ansatz wird von den Top-OEMs wie Audi, BMW, Ford, Mercedes, Porsche und VW vorangetrieben – und durch Organisationen wie die ISO standardisiert.

Warum 48 Volt? Erstens reduziert die höhere Betriebsspannung im Vergleich zu einem 12-V-Bordnetz die Widerstandsverluste bei der Energieübertragung. Zweitens ermöglicht die höhere Bordspannung leistungsfähigere Elektromotoren und Generatoren. Drittens liegt 48 V unter dem 60 VDC Sicherheitsschwellenwert, ab dem Standardisierungsgremien eine stärkere Abschirmung und physischen Schutz für elektrische Systeme vorschreiben.

Die Hybridisierungsreise startete 1997 mit dem Toyota Prius

Der Toyota Prius, der bereits 1997 eingeführt wurde, zeigte, was damals vielleicht überraschend schien: Die Kraftstoff- und Emissionseinsparungen wogen die zusätzlichen Kosten, das höhere Gewicht und Komplexität auf, die der Einsatz zusätzlicher Akkus, eines Motors/Generators, komplexer Kabelbäume und anspruchsvollerer Steuerungssysteme mit sich brachten. Seitdem ist nunmehr eine ganze Taxonomie von Hybridantrieben entstanden.

Antriebslösungen: Mikro-Hybrid, Mild-Hybrid und Vollhybrid

Fangen wir bei der einfachsten Lösung an. Der Mikro-Hybrid nutzt einen 5-kW-Motor/Generator mit 12 V, um das Starten und Abbremsen von Fahrzeugen zu erleichtern. Diese Form eines Hybrids kann den Verbrennungsmotor im Leerlauf ausschalten und bei Bedarf sofort wieder starten. Wenn der Fahrer den Fuß vom Gas nimmt, hilft der Motor/Generator, das Fahrzeug zu verlangsamen, indem er einen Teil der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, um über diese Rekuperation den Bordakku aufzuladen. Branchenschätzungen zufolge kann dieser Ansatz die CO2-Emissionen um bis zu 4% reduzieren.

Der Mild-Hybrid (kurz auch MHEVs) geht noch einen Schritt weiter, indem er ein zusätzliches 48-V-Bordnetz nutzt und ein zusätzliches Feature bietet: Sein Motor/Generator ist mit rund 5 bis 13 kW stark genug, um dem Antriebsstrang ein zusätzliches Drehmoment zu verleihen. Dieses kann man nutzen, um aus dem Stand heraus schneller anzufahren oder generell schneller zu beschleunigen. Es gibt zwei Vorteile dieser ‚Fill-and-Boost‘ Strategie. Der erste ist, dass das Drehmoment des Elektromotors sofort verfügbar ist, was die unmittelbare Reaktionsfähigkeit verbessert. Zweitens kann es dazu beitragen, den Verbrennungsmotor möglichst in der Nähe seines effizientesten Betriebspunktes zu halten. Branchenschätzungen zufolge kann dieser Ansatz die Emissionen um bis zu 21% reduzieren.

Der zudem allseits bekannte Vollhybrid, dessen Motorgenerator mit 20 bis 40 kW über genügend Leistung verfügt, um das Fahrzeug alleine anzutreiben, benötigt einen deutlich größeren und schwereren Akku, um die erforderliche Energie zu speichern. Im Gegenzug kann dieser Ansatz jedoch die Emissionen um bis zu 30% reduzieren. Ein Plug-in-Hybrid, der zum Laden seiner Akkus auch externe Ladestationen nutzt, kann die Emissionen um bis zu 75% senken, während ein vollwertiges Elektroauto überhaupt keine Emissionen mehr aufweist – zumindest nicht vom Fahrzeug selbst ausgehend.

Das 12-V-Ökosystem bleibt erhalten

Fahrzeugelektronik: Fast alle Hybridfahrzeuge betreiben Dual-Power-Bordnetze und -Batteriesysteme, um sowohl die Anforderungen des 12-V-Ökosystems als auch die der aufkommenden 48-V-Gerätetypen zu erfüllen.
Fahrzeugelektronik: Fast alle Hybridfahrzeuge betreiben Dual-Power-Bordnetze und -Batteriesysteme, um sowohl die Anforderungen des 12-V-Ökosystems als auch die der aufkommenden 48-V-Gerätetypen zu erfüllen.
(Bild: Avnet Silica)

Die Automobilindustrie hat ein riesiges Ökosystem rund um das 12-V-Bordnetz aufgebaut. Doch dieses muss sie bei der Umstellung auf 48-V-Systeme nicht aufgeben. Fast alle Hybridfahrzeuge betreiben deshalb Dual-Power-Bordnetze und -Batteriesysteme, um sowohl die Anforderungen des 12-V-Ökosystems als auch die der aufkommenden 48-V-Gerätetypen zu erfüllen. Jede dieser Formen von Hybrid-Antrieben benötigt zudem auch zusätzliche Elektronik. Ein 12-V-Mikrohybrid benötigt in aller Regel ein Spannungsstabilisierungssystem sowie einen Dual Battery Manager.

Mild-Hybride benötigen riemengetriebene 48-V-Starter/Generatoren sowie 48-V-DC/DC-Wandler, um den Energiefluss zwischen den 48-V- und 12-V-Systemen zu steuern. Voll-Hybrid-, Plug-in-Hybrid-Antriebe und reine Elektrofahrzeuge betreiben ihre Akkus zudem mit viel höheren Spannungen und benötigen daher eine ganze Reihe an Hochspannungs-Leistungselektroniksystemen sowie Hochspannungs-Achsantriebsmotoren/Generatoren, um die Fahrzeuge betreiben zu können. Die Herausforderung und Chance für Automobilhersteller, Subsystemhersteller und Komponentenlieferanten besteht deshalb darin, die Umstellung auf 48 V für einen großen Innovationsspielraum in der Branche zu nutzen.

So erfordert beispielsweise das Hinzufügen eines parallelen elektrischen Subsystems zu einem bestehenden Fahrzeug mit Verbrennungsmotor zusätzlichen Platz, sodass Komponenten- und Subsystemhersteller den Integrationsgrad ihrer Angebote erhöhen müssen. Kabelbäume und Steckverbinder sind nämlich komplex und teuer, sodass Innovationen in diesem Bereich immer willkommen sind. Dabei gibt es viele Möglichkeiten, noch effizientere, kompaktere und robustere Leistungselektronik-Komponenten für den Einsatz im Fahrzeug anzubieten.

Lithium-Ionen-Battery-Manager MC33771B von NXP

Einige Automobilhersteller entwickeln beispielsweise Elektroautos mit 48-V-Akku und Reichweiten von bis zu 150 km für den Einsatz in städtischen Gebieten. Diese könnten durchaus neue Onboard-Ladegeräte und Akkumanager benötigen, die man mit Akkumanagement-Subsystemen wie denen von NXP steuern kann. Der Lithium-Ionen-Battery-Manager MC33771B für bis 14 Akkuzellen bietet hierfür beispielsweise Funktionen für den Stromausgleich zwischen den Zellen und erfüllt auch die Anforderungen der Fahrzeugnorm ISO 26262 für funktionale Sicherheit.

FTCO3V85A, Leistungsmodul für Modul für 48-V-DC/DC-Wandlung von On Semiconductor

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Umstellung auf 48 V ist die kompakte, effiziente DC/DC-Wandlung, die Unternehmen wie ON Semiconductor beispielsweise über hochintegrierte und Automotive-qualifizierte Leistungsmodule bieten. Das FTCO3V85A ist beispielsweise ein 80 V, Low-Rds(on)-Leistungsmodul mit einem dreiphasigen MOSFET-Modul für 48-V-DC/DC-Wandlung. Es beinhaltet einen Präzisions-Shunt-Widerstand zur Strommessung, einen NTC-Widerstand (Heißleiter) zur Temperaturmessung und eine RC-Entstörschaltung. Es ist Teil einer kompletten Familie von dedizierten Leistungsmodulen, die auf einer proprietären, spritzgepressten Technologie basiert, die speziell 48-V-Anwendungen adressiert. Unterstützt werden beispielsweise Funktionen wie 48-V-Riemen-Starter/Generator, Battery Disconnect Unit, Turbolader und weitere 3-Phasen-Motoreinheiten für Hilfs- und Nebenfunktionen.

Effizientere Leistungstransistoren von Infineon und On Semiconductor

Automotive-Systeme benötigen zudem effizientere und robustere Leistungstransistoren. Einige Anbieter wie Infineon oder ON Semiconductor haben bereits darauf reagiert: Infineon setzt beispielsweise beim OptiMOS 80 V/100 V auf Trench-Technik und bleifreie TOLL- oder TOLG-Packages, um Basisgeräte für 48-V-Anwendungen zu bauen. ON Semiconductor hat mit den FDBL8636x eine neue PowerTrench MOSFETs Familie mit einem sehr niederohmigen 80-V/100-V-N-Kanal in einem kompakten TOLL-Gehäuse vorgestellt. Es soll sich besonders gut für hochstromige 48-V-Anwendungen eignen.

Flexibilität bei Antriebsstrang-Komponenten

Der fließende Übergang des Hybrid- und Elektroauto-Marktes bietet den Anbietern auch das Potenzial, mit verschiedenen Varianten bei der Aufteilung der wichtigen Antriebsstrang-Komponenten zu experimentieren. STMicroelectronics bietet beispielsweise mit dem L9907 einen Smart-Power FET-Treiber für dreiphasige bürstenlose Gleichstrommotoren an. Er ist im BCD-6s-Prozess des Unternehmens integriert und kann sechs externe FETs unabhängig voneinander steuern, was unterschiedlichste Steuerstrategien für dreiphasige bürstenlose Gleichstrommotoren ermöglicht.

Mit der E523.52 – einer programmierbaren, bürstenlosen Hochspannungs-Motorsteuerung für 24-V- und 48-V PKWs und Nutzfahrzeuge – hat Elmos einen alternativen Weg eingeschlagen. Sie verfügt über drei Halbbrückentreiber, einen 11-V-DC/DC-Abwärtswandler, zwei Linearregler und einen 16-Bit-RISC-Mikrocontroller mit 32-KByte-Flash-Speicher. Der 11-V-Ausgang kann sechs Gate-Treiber, interne lineare Regler und externe Lasten wie externe Hall-Sensoren versorgen. Jeder dieser beiden Ansätze hat seine Vorzüge. Das Spannende am Markt für Elektroantriebe ist deshalb derzeit, dass es noch Spielraum gibt, mit verschiedenen Ansätzen zur Motorsteuerung und zum Energiemanagement zu experimentieren, und dass die Lieferanten bereit sind, die entsprechenden Teile zur Verfügung zu stellen.

Erste Schritte mit 48-V-Systemen

Eine der spannendsten Möglichkeiten für Fahrzeughersteller bei der Umstellung auf Hybridfahrzeuge ist es, den Softwareanteil ihrer Fahrzeuge zu erhöhen, damit sie schneller auf den Markt gebracht, vor Ort angepasst und durch die Bereitstellung von On-Board-Services sogar zu Plattformen für neue Einnahmequellen werden können. Die Herausforderung besteht jedoch darin, Ingenieure mit passender Erfahrung im Bereich der 48-Volt-Stromversorgungssysteme zu finden.

Auch werden Softwareentwickler benötigt, die Code entwickeln können, der den strengen Anforderungen von Automobilnormen wie ISO 26262 entspricht und der vor Angriffen geschützt ist. Deshalb sehen Distributoren wie Avnet Silica bereits eine deutlich steigende Nachfrage nach Unterstützung bei der Implementierung sicherer Subsysteme und Schnittstellen zu wichtigen 48-V-Anwendungen wie Wechselrichtern, DC/DC-Wandlern und Akkumanagementsystemen. Diese Entwicklungen müssen reibungslos vorangehen.

Nach dem Ersatz des Pferdes durch den Verbrennungsmotor ist die Umstellung auf 48-V-Hybrid- und Akku-Elektrofahrzeuge der wohl nächste große Schritt in der Entwicklung von Autos. Allzu viel Zeit mit Trial & Error zu vergeuden sollte die deutsche Automobilindustrie und ihre Zulieferer also nicht mehr.

* Gregor Knappik ist Mitarbeiter bei Avnet Silica.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46143218)