Automotive Electronics

Batteriemanagementsystem für das neue 48-V-Automobil-Bordnetz

| Autor / Redakteur: Gernot Hehn * / Thomas Kuther

Ein autonomer passiver Balancer für drei bis sieben Lithiumzellen auf der Basis des ICs AS8506 IC.
Ein autonomer passiver Balancer für drei bis sieben Lithiumzellen auf der Basis des ICs AS8506 IC. (Bild: ams)

Wenn ein 12-V- und ein 48-V-Bordnetz gemeinsam die Stromversorgung im Auto übernehmen sollen, sind zur Energieverteilung geeignete Power-Mangement-Systeme gefragt

Die Bordnetze aktueller PKWs werden von einer 12-V-Batterie mit zugehörigem Batteriemanagementsystem (BMS) gespeist. Solche 12-V-Bordnetze geraten jedoch immer öfter an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Dafür sind insbesondere zwei Entwicklungen verantwortlich:

- Die Europäische Union hat die Grenzwerte für den CO2-Ausstoß von PKWs und leichten Nutzfahrzeugen verschärft. Ab dem Jahr 2020 gilt ein Emissionsgrenzwert von 95 g CO2/km über die gesamte Fahrzeugflotte eines Herstellers hinweg. Dieses Ziel ist nur durch den vermehrten Einsatz von Elektroantrieben – zumindest bei einem Teil der Flotte – erreichbar.

- Die Verbraucher wünschen sich immer mehr Komfortfunktionen im Auto wie Klimaanlagen, hochentwickelte Sicherheitssysteme (Antiblockiersysteme, Antischlupfregelung usw.), Navigationssysteme, Car-Entertainment, beheizte Sitze etc.

Diese beiden Faktoren treiben den elektrischen Leistungsbedarf von Autos auf Werte von über 3 kW – das ist etwa das Maximum dessen, was ein herkömmliches 12-V-Bordnetz hergibt. Das Ergebnis: Die Batterie geht schnell kaputt, und der Autobesitzer ist verärgert. Jetzt wurden zwei drastische Änderungen am Automobil-Bordnetz vorgeschlagen, die dieses Problem beheben sollen. Erstens beabsichtigen einige Autohersteller die Einführung eines 48-V-Bordnetzes. Ein solches Hochspannungsbordnetz ermöglicht es, bei gleichbleibenden oder sogar geringeren Kabeldurchmessern höhere Lasten (bis 10 kW) zu speisen. Zweitens soll die altehrwürdige Blei-Säure-Batterie durch einen Lithium-Ionen-Akku (vorzugsweise LiFePO4 oder LiTi2O3) abgelöst werden, die eine größere Anzahl von Lade-/Entladezyklen erlauben und dadurch länger leben.

Das 48-V-Bordnetz ermöglicht neue Anwendungen im Auto

Dies wird die Einführung völlig neuer Anwendungen im Automobil ermöglichen – zusätzlich zu denen, die heute das 12-V-Bordnetz an seine Grenzen bringen. Hier einige Beispiele:

  • Elektrischer Turbo zur Unterstützung des Verbrennungsmotors,
  • Mild-Hybrid-Lösungen mit Bremsenergie-Rückgewinnung, die in einer Domäne mit berührungssicherer Spannung arbeiten,
  • riemenlose Verbrennungsmotoren.

Dieses neue System erfordert jedoch drastische Änderungen an der elektrischen Topologie eines Automobils. Die neuen 48-V-Systeme werden „Seite an Seite“ mit dem herkömmlichen 12-V-System arbeiten; das 48-V-Bordnetz wird nur diejenigen Funktionen versorgen, die die erhöhte Leistung benötigen – die übrigen Funktionen werden auch weiterhin vom 12-V-Netz gespeist. Ein DC/DC-Wandler wird die Energie zwischen den beiden Spannungsdomänen verteilen.

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Das neue 48-Volt-Bordnetz

Das neue 48-V-System könnte auch Änderungen an Kommunikationssystemen wie dem weit verbreiteten CAN-(Controller Area Network)Bus erforderlich machen. Und nicht zuletzt benötigen die neuen, für höhere Leistungen ausgelegten Lithium-Ionen-Akkus ein wesentlich ausgeklügelteres Batteriemanagement- und Diagnosesystem als eine simple Blei-Säure-Batterie.

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