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48-Volt-Bordnetz - Brücke oder Schlüssel zur Mobilität von morgen?

Die 48-V-Spannungsebene erlaubt kostengünstige Mildhybrid-Fahrzeuge, mit denen OEMs die aktuellen CO2-Grenzwerte einhalten können. Der Trend geht jedoch zu Plug-in-Hybriden sowie reinen Elektrofahrzeugen. Wie sinnvoll sind Investitionen in die 48-V-Technologie noch

Die Einführung von Mildhybrid-Fahrzeugen war für viele Automobilhersteller der schnellstmögliche, kostengünstigste und damit logische Schritt, um die von der Europäischen Kommission geforderten CO2-Grenzwerte für die Fahrzeugflotte zu erreichen. Das dafür notwendige 48-V-Bordnetz lässt sich meist mit vertretbarem Aufwand realisieren. Es ermöglicht u.a. das regenerative Bremsen, die Zwischenspeicherung der Energie in Akkupacks und Kondensatoren sowie die anschließende elektrische Unterstützung eines konventionellen Verbrennungsmotors. Dies führt bereits zu einer Verbrauchs- und Emissionssenkung bis in den unteren zweistelligen Prozent-Bereich.

Bild 1 zeigt, wie sich der Marktanteil der Elektrofahrzeuge entwickeln müsste, um künftige Grenzwerte einzuhalten. Es ist sofort ersichtlich, warum das 48-V-Bordnetz nur als Brückentechnologie angesehen wird, bis sich weltweit eine ausreichend große Flotte an Hochvolt- (HV) batteriebetriebenen Fahrzeugen (BEV, Battery Electric Vehicle) etabliert hat.

Königsweg zur CO2-Reduzierung

Das rein elektrisch betriebene Auto mit lokaler Null-Emission scheint die ideale Lösung, um die künftig noch strengeren CO2-Vorgaben zu erfüllen, und muss deshalb weiterentwickelt und gefördert werden. Ausschließlich auf HV-Elektromobilität zu setzen ist allerdings nicht der Königsweg. Pros und Kontras werden bereits kontrovers diskutiert.

Einerseits besteht die Sorge, dass die Fokussierung auf HV-Elektromobilität die Entwicklung alternativer, vielversprechender Konzepte wie der Brennstoffzelle oder CO2-neutraler synthetischer Kraftstoffe schwächt und somit potenzielle Schlüsseltechnologien vernachlässigt werden könnten. Andererseits ist der weltweite Umstieg auf eine rein elektrische Fahrzeugflotte, wenn man die komplette Wertschöpfungskette berücksichtigt, noch nicht CO2-neutral darstellbar und wird es in den nächsten Jahren auch nicht sein. Besonders der aktuelle Energiemix aus Kernenergie, fossilen Quellen und erneuerbaren Energien sowie die Herstellung und das Recycling der Batterien beeinflussen die CO2-Bilanz negativ.

Eine Herausforderung beim Einsatz von Batterien besteht zudem darin, dass sich die Anforderungen an das Gesamtsystem des Elektrofahrzeugs je nach Einsatzbedingungen stark unterscheiden: Bei extremen und/oder stark schwankenden Umgebungstemperaturen sind auf diese Bedingungen abgestimmte, effiziente Heiz- bzw. Kühllösungen notwendig, um die Sicherheit der Batterie und des Gesamtsystems zu garantieren. Auch das ist ein neues Entwicklungsgebiet.

Entscheidend wird sein, in welchem Zeitrahmen sich eine CO2-neutrale Elektromobilität realisieren lässt und wie das 48-V-Bordnetz diese unterstützen kann. Daraus ergibt sich, ob das 48-V-Bordnetz nur eine Brückentechnologie im Automobil sein wird oder sich weitere Potenziale eröffnen.

48-V-Ansätze für die Zukunft

Unabhängig davon, ob der Antrieb rein elektrisch mit Batterie, mit Brennstoffzelle oder mit synthetischen Kraftstoffen umgesetzt wird, ermöglicht die 48-V-Spannungsebene in den Zusatzaggregaten Energieeinsparungen im Vergleich zu 12 V sowie im Vergleich zu HV Vereinfachungen für den Verbau und Betrieb der Zusatzaggregate im Fahrzeug - und damit ein entsprechendes Optimierungspotenzial. Typische 48-V-Anwendungen sind z.B. e-Turbo, elektrische Klimaanlage mit 4 bis 5 kW, elektrische Heizungen wie eCAT (elektrische Katalysatorheizung), PTC-Zuheizer oder Frontscheibenenteisung mit 1 bis 5 kW, ERC (elektrische Fahr- und Wank-Stabilisierung) mit 1 bis 5 kW, Pumpen und Lüfter bis 1 kW und weitere Applikationen mit einer hohen Leistungsdichte und/oder kontinuierlichem Gebrauch. In Mildhybrid-Fahrzeugen der zweiten Generation werden diese zunehmend mit 48 V umgesetzt; als dritte Spannungsebene ist 48 V auch im HV-BEV anzutreffen.

Urbane Mobilität prädestiniert für 48-V-Technologie

Ein vielversprechendes Geschäftsfeld für die 48-V-Technologie ist die urbane Mobilität. Im Gegensatz zu den Zielsetzungen, mit denen derzeit HV-BEV entwickelt werden, nämlich hohe Reichweite über 400 km und kurze Ladezeiten, stehen hier kurze Fahrstrecken von zwei bis 50 km, Kosten, Batteriegewicht und Isolationsschutz im Vordergrund. Die Ladezeit spielt im städtischen Raum keine Rolle, weil das Fahrzeug während der Arbeitszeit oder in der Nacht geladen werden kann.

Berechnungen zeigen, dass ein 30-kW-Antrieb ausreicht, um den urbanen und Über-Land-Normzyklus mit kleinen Stadtautos zu absolvieren. In diesem Betriebszyklus ist ein 48-V-BEV-Antriebsstrang rund 25 % günstiger als ein HV-400-V-BEV-Antriebsstrang.

Elektrisch betriebene Nutzfahrzeuge auf 48-V-Basis sind bereits mit einer möglichen Zuladung von bis zu 1000 kg auf dem Markt, zum Beispiel das Postfahrzeug "Streetscooter". Auch Zweiräder wie Motorräder und E-Scooter mit 48-V-Technik etablieren sich zunehmend. Sie verfügen teilweise sogar über ein austauschbares Batteriesystem.

All diese Fahrzeuge lassen sich mit Applikationen umsetzen, die bereits für Mildhybrid-Autos entwickelt wurden oder werden. Dazu gehören Batterien mit Batteriemanagementsystem (BMS), Inverter, DC/DC-Wandler und Nebenaggregaten.

Neue Anforderungen an Halbleiter

Wie erwähnt erlaubt das 48-V-System in allen Schaltungstopologien bereits die Grundfunktionen Boosten und Rekuperation mit angekoppeltem sowie Gleiten mit abgekoppeltem Verbrennungsmotor. Für den abgekoppelten Betrieb ist jedoch eine vollautomatisierte Anfahrkupplung unabdingbar. Die Rekuperation der Bremsenergie bei abgekoppeltem Verbrennungsmotor sowie das rein elektrische Fahren im Rahmen der Leistungsfähigkeit eines 48-V-Systems hingegen stellen neue Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und die Robustheit der Halbleiter.

Daneben kommen im 48-V-Bordnetz Sensoren, Mikrocontroller und Leistungs-, Versorgungs-, Kommunikations- bzw. Treiber-Halbleiter zum Einsatz. Sie regeln elektrische Motoren und sichern im Inverter die Leistungsverteilung oder versorgen die Nebenaggregate.

Als Leistungsendstufen-ICs werden vielfach verlustarme MOSFETs eingesetzt, die üblicherweise über 3-Phasen-Treiber angesteuert, überwacht und im Notfall in einen sicheren Zustand gebracht werden. Weitere wichtige Komponenten neben den Motor-Treiber-ICs sind leistungsfähige Gate-Treiber-ICs, die in Kombination mit MOSFETs hochzuverlässige Batterieschalter oder Safety Switches für die 48-V-/12-V-Isolation ermöglichen. Elektrisch wird das 48-V- mit dem 12-V-Netz mithilfe eines DC/DC-WandIers gekoppelt.

Als Kommunikations- bzw. Leistungskomponenten kommen Brückentreiber-ICs zum Einsatz, wie z.B. der TLE9180 von Infineon.

Für 48-V-Applikationen wie Starter-Generator (riemengetrieben oder integriert), DC/DC-Wandler oder Batterie-Hauptschalter bzw. -Trennschalter besteht ein hoher Bedarf an 80-V- und 100-V-MOSFETs.

Breites Portfolio für 48 V

Zahlreiche Halbleiterhersteller investieren nicht nur in Hochvolttechnologien für Elektrofahrzeuge, sondern auch in 48-V-Technologien und -Produkte. Sie bieten schon heute ein breites, skalierbares Portfolio an leistungsfähigen Halbleitern inklusive Evaluation Kits, mit denen sich alle Arten von Anwendungen - auch solche mit hohen Vorgaben - verwirklichen lassen. Dazu gehören auch Komplettsysteme an Chipsatzlösungen von Spannungsreglern, intelligenten Leistungstreibern und sehr niederohmigen MOSFETs, die sich bestens für den Einsatz in 48-V-Systemen eignen.

Investitionen in die 48-V-Technologie sinnvoll

Dies zeigt: Die 48-V-Technologie stellt nicht nur eine Brücke dar, sie bietet auch künftig einen Weg zu CO2-armer Mobilität und damit in zahlreichen Einsatzszenarien Vorteile. Investitionen und Systemoptimierungen für die Nutzung einer 48-V-Bordnetzspannung sind deshalb nach wie vor sinnvoll. Entsprechende Komponenten stehen bereits zur Verfügung.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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