Bordnetz

Was Relais im neuen 2-Spannungs-Bordnetz leisten müssen

| Autor / Redakteur: Dietmar Tschierse * / Thomas Kuther

Fahrzeugentwicklung: Immer mehr elektrische Funktionen im Auto lassen den Energiebedarf derart ansteigen, dass das klassische 12-Volt-Bordnetz überfordert ist.
Fahrzeugentwicklung: Immer mehr elektrische Funktionen im Auto lassen den Energiebedarf derart ansteigen, dass das klassische 12-Volt-Bordnetz überfordert ist. (Bild: TE Connectivity)

Immer mehr Fahrzeuge werden mit einem 2-Spannungs-Bordnetz mit 12 und 48 V ausgestattet. Das hat auch Auswirkungen auf die Automobilrelais, die nun völlig neue Anforderungen erfüllen müssen.

Die Idee, ein duales Bordnetz im Kfz zu integrieren, um den steigenden Leistungsbedarf für Komfort- und Sicherheitsfunktionen erfüllen zu können, wurde schon vor etwa 16 Jahren diskutiert[1] [8], ist aber dann wieder eingestellt worden. Erst jetzt bekommt dieses Thema wieder mehr Dynamik durch die regulatorischen Anforderungen der zu erfüllenden CO2-Flottengrenzwerte ab 2015, sowie die zu senkenden Durchschnittsverbrauchsziele bis 2020.

Der durch die zusätzlichen Komfort- und Sicherheitsfunktionen erhöhte elektrische Leistungsbedarf im Auto wird in Zukunft auf Werte von über 3 kW ansteigen [6]. Das ist das Maximum dessen, was ein 12-V-Bordnetz zurzeit leisten kann. Mit der Einführung einer höheren Betriebsspannung verspricht man sich, größere Lasten betreiben, und damit den Leistungsbedarf bis 12 kW bewältigen zu können. Derzeitige „Hochstromverbraucher“, die zukünftig mit höherer Spannung betrieben werden, beanspruchen dann kleinere Bauräume und Massen, sowie geringere Ströme. Die einhergehende Querschnittsreduzierung der Kabel bringt eine weitere Gewichtsreduzierung.

Vierfache Leistung ermöglicht neue Funktionen

Mit der Vervierfachung des Leistungsangebotes können so neue Kundenfunktionen im Kfz integriert und gleichzeitig eine Energieeffizienzsteigerung im elektrischen Bordnetz und im Motorstartsystem [6] erreicht werden. Unterstützend kommt hinzu, dass durch die technologischen Weiterentwicklungen der letzten Dekade, von der klassischen Bleibatterie hin zur Blei-Gel-Batterie als auch auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Akkus [9], eine Steigerung der Energiedichte im Kfz möglich ist. Diese ermöglichen einen viel höheren Energiedurchsatz als Bleibatterien. Das unterstützt damit die stärkere Rekuperation des Antriebes, was ein sehr wirksames Mittel zur Energieeinsparung durch Rückgewinnung ist.

Heute rückt man von dem damaligen 36-V-Nennwert ab und hat sich, unter der maximalen Nutzung des Niederspannungsbereichs <60 V (Berührungsschutz aus der ECE-R100), auf 48 V Nennspannung geeinigt. Der entsprechende Betriebsspannungsbereich für die Komponenten erstreckt sich zwischen 36 bis 52 V (Bild 1). Die Anforderungen an die Komponenten und den Leitungssatz wurden von den fünf deutschen Automobilherstellern Audi AG, BMW AG, Daimler AG, Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG und Volkswagen AG erarbeitet und in einer Spezifikation, der LV148, zusammengetragen und festgehalten.

Hochstromapplikationen werden im 48-V-Netz betrieben

In dem vorgesehenen Zweispannungsbordnetz werden sowohl für die Verbraucher als auch für die Trennung der beiden Spannungsbereiche im Falle eines Unfalls oder wenn das Fahrzeug längere Zeit nicht genutzt wird, Hochleistungsrelais erforderlich sein[2]. Die sogenannten heutigen Hochstromapplikationen sollten dann im 48-V-Netz betrieben werden. Zu den Hochleistungsverbrauchern zählen z.B. Frontscheibenheizung (~740 W), Sitzheizungen (~300 W), Wankstabilisatoren (~500 W), Motorlüfter (~500 W), elektrische Lenkradunterstützung (~500 W) und möglicherweise ein elektrisch unterstütztes Bremssystem (~800 W) sowie PTC-Zusatzheizer (~4 kW) und die Klimakompressoren (~3 kW). Bei letzteren beispielsweise steht die volle Kühlleistung dann bereits bei der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors zur Verfügung [6] [11]. Was bedeutet dies nun für das Schaltelement Relais?

Schaltaufgaben bei 12 und 24 V sind gut beherrschbar

Bisher sind die Schaltaufgaben bei Bordspannungen von 12 und 24 V im Kfz und Nfz gut beherrschbar. Dies ändert sich beim Wechsel in den 48-V-Bereich. Unter der Annahme konstanter Leistung ändern sich im Vergleich zum 12-V-Bordnetz die übrigen relevanten Parameter wie folgt: Die Nennspannung UN erhöht sich von 12 V auf U48 = 4 . UN, der Laststrom sinkt auf I48 = I/4, der Lastwiderstand R beträgt R48 = 16 . R und die Lastinduktivität L erhöht sich auf L48 = 16 . L.

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