Automobil-Elektronik

Mit passiven Komponenten gut gerüstet fürs 48-Volt-Bordnetz

| Redakteur: Thomas Kuther

Zwei Spannungsebenen: Bei der kombinierten 12-/48-Volt-Bordnetzarchitektur koppelt ein bidirektional arbeitender Buck-Boost-Konverter die 12- und 48-Volt-Netze.
Zwei Spannungsebenen: Bei der kombinierten 12-/48-Volt-Bordnetzarchitektur koppelt ein bidirektional arbeitender Buck-Boost-Konverter die 12- und 48-Volt-Netze. (Bild: TDK Corporation)

Immer mehr und leistungsstärkere Verbraucher erfordern in Fahrzeugen zunehmend ein 48-Volt-Bordnetz, das über einen Buck-Boost-Wandler mit der 12-Volt-Ebene gekoppelt ist.

Die 48-Volt-Technologie für Fahrzeuge bietet attraktive Vorteile: Sie hilft den Kraftstoffverbrauch zu senken, reduziert die Umweltbelastung und kann gleichzeitig die Motorleistung steigern. Die wichtigste Baugruppe dabei ist ein leistungsstarker Buck-Boost-Konverter. TDK bietet mit Leistungsinduktivitäten und Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren dafür entscheidende passive Bauelemente.

Die Anzahl der elektrischen Verbraucher in Fahrzeugen nimmt kontinuierlich zu: Aufwändiges Antriebsmanagement, Komforteinrichtungen wie elektrische Zusatzheizungen und sicherheitsrelevante Systeme wie ABS, ESP und viele andere mehr entpuppen sich als wahre Leistungsfresser. Entsprechend steigen die Leistungen, die heute von Lichtmaschinen bereitgestellt werden müssen. Anfang der 1980er Jahre kamen selbst Fahrzeuge der Oberklasse noch mit Generatoren mit rund 0,7 kW aus.

Heute dagegen liegt die geforderte Leistung bereits bei 3,5 kW – das entspricht einer Steigerung um den Faktor 7. Die Krux dabei: Liefert ein 14-Volt-Generator diese Leistung, fließt ein Strom von 250 A. In dieser Spannungs-Strom-Relation ist jedoch nur noch ein Wirkungsgrad von maximal 70% erzielbar. Deshalb ist eine Eingangsleistung des Generators von 5 kW erforderlich, die vom Motor erbracht werden muss. Ein weiterer Nachteil der in Summe hohen Ströme sind die dafür erforderlichen großen Leitungsquerschnitte, die erheblich zum Fahrzeuggewicht beitragen und damit die Kosten erhöhen.

48-Volt-Systeme erhöhen die Effizienz

Da die Forderungen nach einem weiter verringerten Kraftstoffverbrauch und niedrigeren CO2-Ausstoß immer strenger werden, muss dringend ein Ausweg aus diesem Dilemma gefunden werden. Attraktive Vorteile bietet hier die 48-Volt-Technologie, denn mit ihr sind einige Kraftstoff sparende Maßnahmen möglich, die mit reinen 12-Volt-Systemen nicht machbar sind. Dazu zählen:

  • Leistungsstarke Rekuperation mit >5 kW,
  • Erweiterte Start-/Stopp-Funktion wie Sailing oder Coasting,
  • Elektrifizierung von Aggregaten, z.B. E-Turbolader, Elektrische Lenkung,
  • Unterstützung von Mikro- und Mild-Hybridlösungen.

Die 48-Volt-Systeme lösen die bisherigen 12-Volt-Architekturen allerdings keineswegs ab, sondern erweitern die 12-Volt-Bordnetze für leistungsstarke Verbraucher, wobei die beiden Spannungsebenen über einen Buck-Boost-Konverter gekoppelt sind. Bild 1 zeigt das Prinzip dieser Architektur. Auf der 12-Volt-Ebene dient eine klassische Blei-Säure- oder Blei-Gel-Batterie als Energiespeicher. Auf der 48-Volt-Ebene wird ein Lithium-Ionen-Akku verwendet. Für ein verbessertes Speichern von elektrischer Energie bei der Rekuperation können darüber hinaus Doppelschicht-Kondensatoren parallel geschaltet werden.

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