Automobil-Elektronik Mit passiven Komponenten gut gerüstet fürs 48-Volt-Bordnetz

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

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.

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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)

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.

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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.

Effiziente Kopplung dank Buck-Boost-Konverter

Die wichtigste Systemkomponente eines kombinierten 12-/48-Volt-Netzes ist der Buck-Boost-Konverter. Er ermöglicht den bidirektionalen Energiefluss zwischen den beiden Spannungsebenen und ist für Leistungen von 2 bis 5 kW ausgelegt. Bild 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines solchen Wandlers. Im Normalbetrieb arbeitet der Wandler als Tiefsetzsteller (Buck-Modus), um die auf der 48-Volt-Ebene erzeugte Leistung an das 12-Volt-System abzugeben. In dieser Betriebsart ist T2 ständig gesperrt und T1 arbeitet als Schaltregler. Der Boost-Modus ist erforderlich, wenn auf der 48-Volt-Ebene eine hohe Leistung erforderlich ist. Dabei ist T1 ständig durchgeschaltet und T2 arbeitet im Pulsbetrieb. Um Ripplestrom und -spannung so gering wie möglich zu halten, werden in der Praxis Systeme mit 6 oder 8 Phasen eingesetzt, die seriell durchgeschaltet werden.

Für die Speicher- und Glättungsdrosseln in den Wandlern hat TDK zwei neue Serien von Leistungsinduktivitäten entwickelt. Bei der Serie ERU 27 handelt es sich um Induktivitäten in SMD-Ausführung. Sie zeichnen sich durch ihre sehr kompakte Bauweise in Kombination mit hohen Stromtragfähigkeiten aus. So beträgt der Flächenbedarf nur 30 mm x 27,8 mm (Bild 3 links). Abhängig vom Induktivitätswert liegt die Bauhöhe bei 15,5 oder 20,3 mm. Möglich wurde diese Kompaktheit mit einem Flachdrahtwickel, der einen hohen Füllfaktor bietet. Serienmäßig sind die Induktivitäten in 6 Ausführungen erhältlich, die ein Induktivitätsspektrum von 3,5 bis 15 µH Abdecken. Die Sättigungsströme variieren dabei zwischen 19,5 und 49 A. Um die mechanische Stabilität auf der Leiterplatte zu erhöhen, verfügen die Drosseln neben den beiden Lötpads für die Wicklung über einen dritten Lötpad.

Alternativ zu den SMD-Typen können auch EPCOS Typen der Serie ERU 33 in PTH-Ausführung eingesetzt werden (Bild 3 rechts). Sie bietet Nenninduktivitäten von 3,2 bis 10 µH und sind sogar – abhängig vom Typ - für einen Sättigungsstrom von 79 A bei einem Gleichstromwiderstand von 0,85 mΩ ausgelegt. Die Maße dieser Drosseln betragen 33 mm x 33 mm x 15 mm. Alle genannten Typen eignen sich für Betriebstemperaturen von –40 bis 150 °C, sind RoHS-kompatibel und nach AEC-Q200 qualifiziert. Neben den Serientypen von ERU 27 und ERU 33 können auch kundenspezifische Varianten mit anderen Induktivitätswerten gefertigt werden.

Extrem vibrationsfeste Kondensatoren

Neben den Induktivitäten sind robuste Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren zum Speichern und Glätten Schlüsselbauelemente in Buck-Boost-Konvertern. Die Serien B41689 und B41789 (Bild 4) sind speziell für die hohen Anforderungen in der Automobil-Elektronik ausgelegt. Sie haben eine sehr hohe Vibrationsfestigkeit von bis 60 g. In den Ausführungen mit Lötstern sowie der Bauform mit beidseitiger Kathodenplatte ergeben sich optimierte Montagebedingungen mit geringen Induktivitätswerten.

Dank der internen Mehrfach-Kontaktierung bieten diese Kondensatoren niedrige ESR-Werte, was die Wechselstrombelastbarkeit steigert und die Verluste senkt. So liegt die dauerhafte Wechselstrombelastbarkeit – abhängig vom Typ – bei 125 °C Gehäusetemperatur bei bis zu 29,5 A. Die Automotive-Serien sind für Nennspannungen von 25 V, 40 V (für 12 V) und 63 V (für 48 V) ausgelegt. Mit diesen Spannungen können sie bei den neuen Bordnetzen in beiden Spannungsebenen eingesetzt werden. Das Kapazitätsspektrum erstreckt sich von 360 bis 4500 µF.

Neben den Leistungsinduktivitäten und den Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren als Schlüsselkomponenten sind für die Realisierung von Buck-Boost-Konvertern noch eine Reihe weiterer TDK-Bauelemente erforderlich, etwa MLCCs, Current Sense Transformers sowie Varistoren.

(Nach Unterlagen der TDK Corporation)

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