Das 48V Bordnetz gilt als Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur E-Mobilität und findet mit dem Audi SQ7 TDI erstmals Anwendung in einem Serienfahrzeug. Doch die Idee einer höheren Bordnetzspannung ist nicht neu. Schon 1990 wurde aus Angst, das 12V-Bordnetz würde die immer zahlreicheren elektronischen Verbraucher nicht mehr zuverlässig versorgen können, ein 42V-Konsortium ins Leben gerufen. Dieser vielversprechende Ansatz konnte sich aber bis auf wenige Ausnahmen in Japan und den USA aufgrund fehlender Standards nicht durchsetzen. Im Folgenden sollen die Gründe und die Herausforderungen der Autobauer, ein 48V Bordnetz einzusetzen, genauer betrachtet werden.

Gründe für ein 48V Bordnetz

Während das 42V-Konsortium in den 90er Jahren bemüht war, die vom Kunden gewünschten Komfort- und Fahrassistenzsysteme zu versorgen, ist der Gedanke einer höheren Bordnetzspannung heute ein anderer. Die von der Europäischen Kommission geforderten CO2 –Grenzwerte lassen sich bei Fahrzeugen nicht oder kaum mehr mit konventionellen Verbrennungsmotoren erreichen. Alternative Antriebskonzepte wie rein elektrisch betriebene oder Hybrid-PKW sind aufgrund von Spannungen über 60V mit großen technischen Herausforderungen verbunden. Ein Bordnetz mit 48V bietet die Möglichkeit, eine einfachere Hybridisierung schnell und kosteneffizient zur Marktreife zu bringen, und den Schadstoffausstoß unterhalb der gesetzten Grenzen zu halten.

48V Bordnetztopologie

Der Einsatz eines 48V-Systems ersetzt das bisher bekannte 12V-Bordnetz nicht, sondern ergänzt dieses. Viele etablierte Komponenten im Fahrzeug können ausschließlich mit 12V betrieben werden, was einen kompletten Umstieg auf höhere Spannungen unnötig teuer machen würde. Die Integration von einem 48V Bordnetz kann durch zwei verschiedene Konzepte erreicht werden:

Insellösung
Kommt es durch den Einsatz von Wankstabilisierung oder elektrischen Turboladern zu kurzzeitigem hohem Leistungsbedarf, kann dieser vom 12V-Netz nicht mehr gedeckt werden. Daher werden 48V-Lithiumionen-Batterien oder Kondensatoren mittels eines unidirektionalen DC/DC-Wandlers aus dem 12V-Netz versorgt. Diese Lösung stellt die einfachste Umsetzung dar und hat keinen Einfluss auf Schadstoffausstoß und Kraftstoffverbrauch, da die Energie konventionell über eine Lichtmaschine zur Verfügung gestellt wird.

Kombiniertes Netz
Im Gegensatz zur oben beschriebenen Insellösung erfolgt der Energietransfer hier umgekehrt. Ein uni- oder bidirektionaler DC/DC-Wandler versorgt die 12V-Seite aus dem 48V-Netz. Dieses ist mit dem Starter-Generator, einer geregelten elektrischen Maschine verbunden, und startet den Motor. Bei laufendem Verbrenner versorgt die elektrische Maschine das 48V Bordnetz.

Die Vorteile von einem 48V Bordnetz

Ein grundlegender Vorteil eines 48V-Bordnetztes ist der geringere Leistungsverlust bei der Energieübertragung aufgrund kleinerer Ströme. Daraus resultiert auch ein entsprechendes Einsparpotential bei der Auslegung der elektrischen Leiter. Dies ermöglicht auch eine wirtschaftlich sinnvolle Rekuperation, eine Energierückgewinnung und Speicherung während der Bremsvorgänge. Hierbei arbeitet die elektrische Maschine als Generator. Bei hohen Drehmoment- und Leistungsbedarf kann dieses System aber auch den Verbrennungsmotor unterstützen, indem die elektrische Maschine in umgekehrter Richtung als Elektromotor versorgt aus dem 48V-Speicher arbeitet. Dieser Vorgang wird auch als Boosten bezeichnet. Durch eine vollständige Entkopplung des Ottomotors vom Bordnetz kann dieser auch während der Fahrt komplett abgeschaltet werden. Im Gegensatz zum konventionellen Leerlauf entstehen beim sogenannten Segeln keinerlei Verluste im Verbrennungsmotor. Alles in Allem kann hierdurch eine deutliche Kraftstoffeinsparung erzielt werden.

Nachteile und Herausforderungen in einem 48V Bordnetz

Da das gängige 12V-Bordnetz weitgehend bis 60V, der sogenannten SELV-Spannung (Safety Extra Low Voltage), spezifiziert ist, lassen sich viele Kabel- und Steckkomponenten unter Berücksichtigung der Luft- und Kriechstrecken übernehmen. An lastführenden Trennstellen steigt jedoch die Gefahr von Lichtbögen aufgrund dessen ein Öffnen des Kontaktes unter Last verhindert werden muss. Unter Umständen ist auch eine Lichtbogenerkennung erforderlich. Auch eine Elektrolyse bei Eintreten von elektrolythaltiger Flüssigkeit kann problematisch werden, was einen entsprechenden Schutz vor Feuchtigkeit notwendig macht. Des Weiteren kann aufgrund der notwendigen Sicherheitsvorkehrungen ein hoher Aufwand und enorme Kosten entstehen.

Erforderliche Komponenten im 48V Bordnetz

Eine Anhebung des Bordnetzes auf 48V erfordert jedoch einige neue elektrische Komponenten (siehe auch „Leistungselektronik im Elektroauto“). Die wichtigsten dabei sind:

– Die elektrische Maschine
Im Gegensatz zum 12V Generator, welcher systembedingt in der Regel als Klauenpolmaschine ausgelegt ist, müssen die 48V-Maschinen zusätzlich als elektrischer Motor fungieren. Die neuen Anforderungen erlauben verschiedene Ausführungen von elektrischen Maschinen. Zu unterscheiden sind hier verschiedene synchrone sowie asynchrone elektrische Maschinen. Sowohl Drehmoment, Wirkungsgrad und Leistungsdichte variieren in Abhängigkeit der Ein- und Ausgangsparameter, so dass in der Praxis vermutlich verschiedene Konzepte Anwendung finden.

– Inverter
Der Inverter, ein bidirektionaler Wechselrichter, wandelt im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine die Wechselspannung in Gleichspannung und umgekehrt im Falle einer Anwendung als Elektromotor die Gleichspannung in Wechselspannung.

– DC/DC-Wandler
Der DC/DC-Wandler bildet die Schnittstelle zwischen 12V- und 48V-Bordnetz. In der Regel arbeitet der DC/DC-Wandler als Abwärtswandler und lädt die 12V Batterie. Ausnahmen bilden der Einsatz im Fahrzeug mit obengenannter Inseltopologie und ein Starten des Motors bei extrem niedrigen Temperaturen. Die für 48V-Speicher verwendeten Lithium-Ionen-Akkus besitzen bei Temperaturen unter -20°C teilweise nicht mehr die Leistungsfähigkeit den Motor zu starten, sodass die Energie aus der widerstandfähigeren 12V-Batterie entnommen werden muss. In diesem Fall arbeitet der Wandler als Aufwärtswandler.

– BMS
Der 48V-Akku benötigt für einen sicheren Betrieb ein Batteriemanagementsystem. Dieses sorgt für ein Angleichen der Einzelzellspannungen, überwacht die Temperatur und den Ladezustand und übernimmt die Kommunikation mit den Steuergeräten.

Fazit
Obwohl die 48V Bordnetz Technologie den Treibstoffverbrauch und somit den CO2 -Ausstoß von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor reduziert, stellen die aktuellen Umsetzungen der Automobilhersteller nur eine Übergangslösung dar. Ein rein elektrischer Vortrieb ist auch weiterhin nur mit einem Hybrid oder einem rein elektrisch betriebenen Fahrzeug möglich. Die 48V-Innovationen ebnen jedoch den Weg für alternative Antriebskonzepte und werden deren Einzug in die Serienfertigung beschleunigen.