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Vor fast fünf Jahren verpflichtete die US-Regierung die amerikanischen Fahrzeughersteller, einen Flottendurchschnitt von 23,17 Kilometer pro Liter (54,5 Meilen pro Gallone) bei neuen Personen- und Lastkraftwagen einzuhalten – und damit den Kraftstoffverbrauch nahezu zu halbieren. Seither hat die Entwicklung nicht nur von Elektro- und Hybridantrieben, sondern auch von so genannten „Mikro-Hybrid-“ und „Mild-Hybrid-Systemen“ auf der Basis von 48-V-Systemen deutlich an Fahrt aufgenommen. Damit wird das in der Automobilindustrie seit langem genutzte 12-V-Bordnetz zum Auslaufmodell.

Die 48-V-Technik bietet eine Reihe von Vorteilen sowohl für Fahrzeughersteller als auch für den Fahrer. Sie reduziert nicht nur die Umweltbelastung, sondern verbessert auch die Motorleistung und senkt vor allem den Kraftstoffverbrauch.

Mit der Einführung neuer Technologien nimmt allerdings auch die Anzahl elektrischer Verbraucher im Fahrzeug exponentiell zu. Telematik, elektrische Zusatzheizung, Triebstrangmanagement, Antiblockiersystem (ABS), elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) und Dutzende anderer Technologien verbrauchen jede Menge Energie und führen zu immer komplexeren Designs. Während moderne Lichtmaschinen den Anforderungen dieser Verbraucher gewachsen sind, dient ein leistungsstarker Abwärts/Aufwärtswandler als zentrale Komponente von 48-V-Systemen.

1955 führten die Fahrzeughersteller 12-V-Ladesysteme ein, die die älteren Systeme auf Basis der 6-V-Technik ersetzten. Zwischen 1955 und den 1980er Jahren lag die Leistung standardmäßiger Lichtmaschinen typischerweise unter 0,5 kW, und selbst hocheffiziente Aggregate erreichten selten mehr als 0,7 kW. Heutige Fahrzeuge erfordern mit 3,5 kW eine siebenmal höhere Lichtmaschinenleistung.

Eine 14-V-Lichtmaschine liefert einen Strom von 250 A, was einer maximalen Effizienz von lediglich 70 Prozent entspricht. Demzufolge muss der Motor 5 kW zusätzlich liefern. Um dies zu kompensieren, sind höhere Ströme und damit große Leiterquerschnitte erforderlich, die die Fahrzeuge teurer und schwerer machen. Durch das zusätzliche Gewicht nimmt die Kraftstoffeffizienz ab, und das wiederum erhöht den CO₂-Ausstoß.

48-V-Systeme

Hier schafft die 48-V-Technik Abhilfe. Sie ermöglicht die Implementierung einer Reihe von Funktionen, die in 12-V-Systemen nicht praktikabel sind, und bietet Unterstützung für Mikro-Hybrid- und Mild-Hybrid-Systeme. Diese und andere Funktionen reduzieren sowohl den CO₂-Ausstoß als auch den Gesamtkraftstoffverbrauch:

• Hochleistungs-Energierückgewinnung von >5 kW
• Erweiterte Start-Stopp-Funktionen, wie Segeln oder Coasting
• Elektrifizierung von Subsystemen wie Turbolader und Servolenkung

Das 48V-System ist weniger ein Ersatz für die bestehende 12-V-Architektur als eine Erweiterung, die mittels eines bidirektionalen Abwärts/Aufwärtswandlers mit 12-V- und 48-V-Stufe die Versorgung leistungsstärkerer Verbraucher ermöglicht (Abbildung 1). Es ist sozusagen Version 2.5 des Bordnetzes.

Abbildung 1: Architektur eines kombinierten 12/48-V-Bordnetzes (Quelle: TDK)

In dieser Version 2.5 wird für die 12-V-Stufe eine standardmäßige Bleibatterie und für die voreingestellte 48-V-Stufe des Generators eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet, die eine höhere und effizientere Leistung bietet. Gemäß neuen Best Practices werden die Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet, um die Stromspeicherung zu verbessern.

Abwärts/Aufwärtswandler

Die zentrale Komponente des kombinierten 12/48-V-Systems ist der bereits erwähnte Abwärts/Aufwärtswandler, der den bidirektionalen Stromfluss zwischen den beiden Spannungsstufen regelt (Abbildung 2). Die meisten Abwärts/Aufwärtswandler sind für eine Leistung zwischen 2 und 5 kW ausgelegt.

Abbildung 2: Schaltbild des Abwärts/Aufwärtswandlers für das kombinierte 12/48-V-System (Quelle: TDK)

Im Normalbetrieb arbeitet der Abwärts/Aufwärtswandler als Abwärtswandler und gibt die von der 48-V-Stufe generierte Leistung korrekt an das 12-V-System aus. Wenn die vollen 48 V benötigt werden, fungiert er als Aufwärtswandler. In der Regel werden seriell verbundene Systeme mit 6 oder 8 Phasen verwendet, um die Spannung und den Welligkeitsstrom zu minimieren.

Um die einwandfreie Funktion des Abwärts/Aufwärtswandlers unter den rauen Bedingungen des Fahrzeugbetriebs zu gewährleisten, müssen bei der Konstruktion hochwertige und zuverlässige Schalttransistoren, Leistungsinduktivitäten und Speicherkondensatoren verwendet werden. Für die Leistungsinduktivitäten der Speicher- und Glättungsdrosseln in den Wandlern sind beispielsweise keramische SMD-Bauteile vorzuziehen. Die Netzdrosseln sollten zusätzlich zu den beiden Lötpunkten für die Wicklung einen dritten Lötpunkt aufweisen, der die mechanische Stabilität der Bauteile auf der Leiterplatte verbessert. Wenn eine SMD-Induktivität nicht infrage kommt, können auch Induktivitäten mit PTH-Anschlüssen verwendet werden. Alle Bauteile sollten für Betriebstemperaturen zwischen -40 und 150 °C ausgelegt sein.

Vibrationsfeste Kondensatoren

Als weitere wichtige Bauteile sollten für Abwärts/Aufwärtswandler robuste Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren für Speicher- und Glättungsdrosseln verwendet werden, die ebenfalls für den Einsatz bei bis zu 150 °C geeignet sind.

Diese Kondensatoren sollten speziell für die hohen Anforderungen der Fahrzeugelektronik konzipiert sein, wie dies bei den Serien B41689 und B41789 von TDK der Fall ist. Diese Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren zeichnen sich durch eine extrem hohe Vibrationsfestigkeit von bis zu 60 g und sternförmig angeordnete Lötpunkte aus. Einige Kondensatoren sind mit Kathodenplattenkontakten an beiden Enden ausgestattet, die eine optimierte Montage und niedrige ESL-Werte ermöglichen.

Spezifizierte Kondensatoren sollten auch einen geringen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und damit eine höhere Welligkeitsstromkapazität bei minimalen Verlusten aufweisen. Die Kondensatoren sollten für Spannungen von 25 V, 40 V (für die 12-V-Stufe) und 63 V (für die 48-V-Stufe) ausgelegt sein. Mit diesen Spannungen können sie in den neuen Bordnetzsystemen auf beiden Spannungsstufen eingesetzt werden. Der Kapazitätsbereich liegt zwischen 360 und 4500 µF.

Elektrische Turbolader

Ein weiterer Vorteil der 48-V-Technik besteht darin, dass der Motor mithilfe eines elektrischen Turboladers oder E-Turboladers noch effizienter betrieben werden kann (Abbildung 3). Bis vor kurzem wurden konventionelle abgasgetriebene Turbolader verwendet, deren Leistung naturgemäß mit der Motordrehzahl zunimmt. Ein Nachteil dieser konventionellen Turbolader ist ihre leichte Ansprechverzögerung, die als Turboloch bezeichnet wird.

Dieses Problem tritt in 48-V-Systemen nicht auf, da hier ein elektrisch betriebener Lader verwendet wird. Dieser Turbolader reagiert verzögerungsfrei, funktioniert auch bei niedrigeren Drehzahlen und sorgt im Stadtverkehr ebenso wie auf der Autobahn für insgesamt mehr Effizienz.

Abbildung 3: Elektrische Turbolader steigern die Effizienz des Motors (Quelle: TDK)

Tatsächlich sorgt ein mit dem elektrischen Turbolader kombinierter konventioneller Turbolader für einen weiteren Anstieg des Ladedrucks, sodass der elektrische Lader bei hohen Motordrehzahlen abgeschaltet werden kann. Das spart Energie und verbessert die allgemeine Effizienz.

Die 48-V-Technik verbessert nicht nur die Leistung und Effizienz des Motors, sondern ist auch für Fahrer attraktiv, die ihren Kraftstoffverbrauch verringern möchten. Sie erlaubt den Bau eines voll ausgestatteten Fahrzeugs, das in 48 V von 0 auf 60 (0 bis 60 mil/h oder 0 bis 96,56 km/h) kommt. Bei all den Vorteilen dieser Technik ist es nicht verwunderlich, dass 48-V-Bordnetze jetzt Vollgas geben.