Verdichtete Städte, knappe Verkehrsflächen und ambitionierte Klimaziele erzeugen einen großen Handlungsdruck, Verkehr und Mobilität nachhaltiger zu gestalten. Neben den Emissionen rücken dabei auch Aspekte wie der Flächenverbrauch, die Lärmbelastung und die Lebensqualität in den Fokus.
Elektrische Leichtfahrzeuge – sogenannte Light Electric Vehicles (LEVs) – gelten in diesem Kontext als Schlüsseltechnologie. Sie vereinen kompakte Fahrzeugkonzepte mit lokal emissionsfreier Mobilität. Würden LEVs einen signifikanten Anteil an der Verkehrsleistung im motorisierten Individual- und Wirtschaftsverkehr übernehmen, könnten sie einen spürbaren Beitrag zum Klimaschutz leisten. Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer begrenzten Höchstgeschwindigkeit benötigen sie deutlich weniger Energie im Betrieb. Auch der Ressourcenbedarf bei der Herstellung ist geringer gegenüber Hochvolt-Topologien.
Dynamischer Markt für urbane Elektromobilität
Der Markt für LEVs zeigt weltweit ein hohes Wachstumspotenzial. Insbesondere in Asien, der ASEAN-Region, sowie in Lateinamerika und Osteuropa ist eine dynamische Entwicklung bei der Verbreitung zu beobachten. Neben Privatkunden adressieren LEVs zunehmend den urbanen Wirtschaftsverkehr, etwa für Kurier-, Express- und Paketdienste oder die innerstädtische Versorgung.
Laut aktuellen Prognosen wird der globale LEV-Markt von 81,23 Mrd. USD (2022) auf rund 205,76 Mrd. USD bis 2032 wachsen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 9,74 Prozent im Prognosezeitraum entspricht. Gründe hierfür sind technologische Fortschritte bei Batterien und Antriebstechnik sowie staatliche Förderungen für nachhaltige Mobilität.
48-V-Systeme für LEVs
Im Segment der elektrischen Leichtfahrzeuge haben sich 48-V-Bordnetze als praktikabler Systemstandard etabliert. Sie ermöglichen eine kompakte und kosteneffiziente Umsetzung elektrischer Antriebs- und Ladesysteme, ohne die Komplexität der klassischen Hochvolttechnologie. Damit bieten sie eine optimale Kombination aus Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Energieeffizienz – insbesondere für Fahrzeuge der Klassen L7e und darunter.
Für Anwendungen wie Elektro-Roller, kompakte Nutzfahrzeuge oder innerstädtische Lieferfahrzeuge ist 48 V ausreichend, um Leistungen im Bereich bis etwa 15 kW zuverlässig bereitzustellen. Gleichzeitig bleibt die Systemarchitektur schlank, was sowohl in der Entwicklung als auch im späteren Fahrzeugdesign von Vorteil ist.
Referenzdesigns für Lade- und Antriebseinheiten
Zur Umsetzung effizienter 48-V-Systeme für elektrische Leichtfahrzeuge stehen bei Rutronik zwei praxisorientierte Referenzdesigns im Fokus: ein On-Board-Charger (OBC) sowie ein universeller Traktionsumrichter. Beide Designs sind auf kosteneffiziente Serienanwendungen im urbanen Mobilitätsumfeld ausgelegt und ermöglichen Entwicklerinnen und Entwicklern einen schnellen Einstieg in die Funktionsvalidierung.
48-V-On-Board-Charger (3,3 kW): Das Referenzdesign (Abb. 1 und 2) basiert auf einer Halbbrücken-LLC-Resonanzwandler-Topologie mit vorgeschalteter PFC-Stufe und ist vollständig mit siliziumbasierten Halbleitern umgesetzt. Die Wahl der Schaltfrequenz und des Übertragers wurde gezielt auf ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis abgestimmt.
Eingangsseitig erfolgt die Gleichrichtung über eine thyristorgesteuerte Diodenbrücke, während auf der Ausgangsseite Schottky-Dioden zum Einsatz kommen. Die Bauteile im Resonanzkreis – insbesondere der HF-Übertrager und die verwendeten Powermodule – sind sorgfältig aufeinander abgestimmt und ermöglichen eine hohe Effizienz der Gesamtschaltung. Der Aufbau unterstützt die Kommunikation gemäß dem CCS-Standard, wodurch er sich für den Einsatz in modernen Wandladestationen qualifiziert. Das Ziel besteht in einer wirtschaftlichen Lösung für 48-V-Ladeanwendungen in LEVs, die sowohl funktional als auch kostenoptimiert ist.
48-V-Traktionsinverter (10 kW Dauer-/15 kW Spitzenleistung): Der universelle Traktionsumrichter (Abb. 3 und 4) ist für Dauerströme bis 350 A (bzw. 600 A für 60 s) ausgelegt. Dank CAN-Schnittstelle sowie analogen und digitalen I/Os lässt sich das System flexibel ansteuern. Die gesamte Elektronik befindet sich auf einer kompakten Platine mit State-of-the-Art-MOSFETs und einem Top-Side-Cooling-Konzept. Das heißt, die MOSTFETs müssen nicht durch die Platine entwärmt werden, sondern können über ein TIM (Thermal Interface Material) direkt mit einer Wärmesenke, z. B. der Grundplatte, verbunden werden. So verringert sich der thermische Widerstand zwischen MOSFET-Gehäuse und Grundplatte im Vergleich zur Entwärmung durch die Platine. Dies trägt zur thermischen Performance und der hohen Leistungsdichte des Gesamtsystems bei. Das Single-PCB-Design hält die Komplexität des Gesamtsystems gering. So sind keine fehleranfälligen Steckverbinder von Platine zu Platine notwendig. Möglich Zielanwendungen sind elektrische Antriebsstränge in leichten Elektrofahrzeugen der Klasse L7e, wie Golf-Carts, LEV-Scooter oder leichte Transportfahrzeuge für den urbanen Raum.
Die beiden Referenzdesigns zeigen nicht nur die technische Machbarkeit der Topologien, sondern dienen auch als Orientierungshilfe bei der Auswahl geeigneter Leistungshalbleiter, Bauteile und Systemarchitekturen. Automotive-Entwicklerinnen und -Entwickler profitieren von vollständigen Stücklisten (BOM), Schaltplänen und thermomechanischen Konzepten, die über den technischen Vertrieb von Rutronik verfügbar sind. Dadurch wird die Entwicklungszeit verkürzt und die Time-to-Market für neue Mobilitätslösungen deutlich beschleunigt.
Kooperation mit Perspektive
Die Transformation hin zur Elektromobilität stellt Hersteller, Zulieferer und Systempartner weltweit vor neue Herausforderungen – technologisch, geopolitisch und wirtschaftlich. Gerade in Zeiten globaler Unsicherheit sind strategische Allianzen, marktgerechte Produktansätze und verlässliche Lieferketten entscheidend, um zukunftsfähige Lösungen im Bereich der Mikromobilität zu entwickeln.
Vor diesem Hintergrund nimmt die enge Partnerschaft zwischen Rutronik und Vishay eine besondere Rolle ein. Seit der Gründung der Business Unit Automotive im Jahr 2014 ist Vishay als Fokuslieferant eng in Entwicklungen eingebunden – insbesondere im Bereich 48-V-Systemlösungen für Light Electric Vehicles.
Ein Beispiel dieser erfolgreichen Kooperation ist die gemeinsame Entwicklung der hier vorgestellten effizienzoptimierten Referenzdesigns für Lade- und Antriebseinheiten im 48-V-Bereich. Diese Lösungen ermöglichen es, den Anforderungen urbaner Mobilität mit technisch ausgereiften, praxisnahen und wirtschaftlich realisierbaren Systemen zu begegnen.