Grundlagen zur Einführung eines Mehrspannungs-Bordnetzes Freie Bahn für 48 Volt

Mit einem zusätzlichen 48-V-Bordnetz im Fahrzeug sind Lösungsansätze verfügbar.
Gute Perspektivn für 48-Volt-Technik.

Aus Energieeffizienzgründen spricht alles für ein zusätzliches 48-V-Bordnetz als zweite Spannungsebene im Fahrzeug. Bei Einführung eines solchen Netzes müssen noch Topologie- und Sicherheitsaspekte geklärt werden. Entsprechende Lösungsansätze sind nun verfügbar.

Die Optimierung der Energiebilanz in Fahrzeugen aller Klassen ist eine effektive Maßnahme, um den CO2-Ausstoß zu senken und damit die gesetzlich geforderten künftigen Flottengrenzwerte zu erreichen. Dies führt unter anderem zu steigenden Anforderungen an das Energiebordnetz. Eingriffe in den Antriebsstrang sind notwendig, um Funktionen wie eine leistungsfähigere Rekuperation, E-Boost oder emissionsfreies Gleiten/Segeln mit Hilfe eines 48-V-Starter-Generators und einer 48-V-Batterie zu realisieren. Darüber hinaus geht es auch um die Elek­trifizierung von mechanischen Aggregaten für eine energieeffiziente Bedarfsregelung zur Kraftstoffeinsparung. Solche Ansätze werden bereits in Hybridfahrzeugen mit Hochvolt-Bordnetzen umgesetzt. Allerdings sind dort größere Systemänderungen im Vergleich zum herkömmlichen Bordnetz nötig, was nicht zuletzt wegen der Berührschutzanforderungen mit erhöhten Kosten verbunden ist.

Im Gegensatz zu dem 42-V-Ansatz, der in den Jahren 1994 bis 2003 eine grundsätzlich erhöhte Betriebsspannung in die Fahrzeuge bringen sollte, wird das 48-V-Energiebordnetz als Erweiterung des klassischen 12-V-Systems eingeführt. Es ist demnach vor allem auch eine interessante und kosteneffiziente Alternative, wenn es darum geht, das Kleinspannungs-Bordnetz von Fahrzeugen im Volumensegment leistungsfähiger zu machen.

Ausbaustufen der Zweispannungs-Bordnetzarchitektur

Es gibt verschiedene Wege, eine zweite Spannungsebene als Erweiterung für das klassische 12-V-Bordnetz im Fahrzeug zu implementieren. Zweispannungs-Bordnetzarchitekturen können jedoch sehr große Unterschiede aufweisen. Bild 1 veranschaulicht beispielhaft drei Möglichkeiten: Fall (a) zeigt eine Basisvariante, bei der lediglich ein einzelner Verbraucher, wie beispielsweise eine Frontscheibenheizung, bereits heute mit einer höheren Betriebsspannung arbeitet. Hier wird die notwendige Spannung durch einen im Aggregat integrierten DC/DC-Wandler entsprechend hochgesetzt.

Die erweiterte Ausführung (Fall (b)) sieht einen zusätzlichen Energiespeicher auf der 48-V-Seite vor. Hierbei werden mehrere 48-V-Hochleistungsverbraucher von einem zentralen DC/DC-Wandler versorgt und entstehende Stromspitzen von der 48-V-Batterie gepuffert. Diese Konfiguration ermöglicht bereits eine Basis-Rekuperation und bietet damit die kleinste Ausbaustufe für die angestrebten 48-V-Energieeffizienzfunktionen. In der dritten Ausbaustufe (Fall (c)) ist die Infrastruktur für die final angestrebte leistungsfähige Rekuperation zu sehen. Im Gegensatz zu den anderen beiden Architekturen findet nämlich nicht nur die Energiespeicherung, sondern auch die Stromerzeugung mittels eines integrierten Starter-Generators auf der 48-V-Seite statt, und der DC/DC-Wandler versorgt das 12-V-Restbordnetz. Die Architektur eines 48-V-Energiebordnetzes hängt maßgeblich von der Anzahl der zu verschaltenden elektrischen Komponenten ab und kann von OEM zu OEM unterschiedlich sein.

Topologie eines Mehrspannungs-Bordnetzes

Um eine bestimmte Architektur als physisches Bordnetz abzubilden, muss die Platzierung aller erforderlichen Aggregate im Fahrzeug zu einem frühen Zeitpunkt festgelegt sein. Bild 2 zeigt typische Topologien, die es ermöglichen, die beiden getrennten Bordnetzspannungen abhängig von Packaging und Platzbedarf im Fahrzeug zu verlegen. Unterschiedliche Leitungsverlegungen ergeben sich – selbst bei sonst gleicher Architektur – schon unter den Fahrzeugbaureihen eines OEM bei unterschiedlicher Lage der Batterie. Die Einbauorte der Komponenten haben somit Einfluss auf die Leitungsverlegung und die Leitungslängen, was sich unmittelbar auf das Gewicht auswirkt.

Fall (a) in Bild 2 zeigt eine Topologie, bei der die beiden Batterie-Packs zusammen mit den Sicherungsdosen im Heck des Fahrzeugs untergebracht sind. Der DC/DC-Wandler ist in unmittelbarer Nähe dazu verbaut. Nachteilig ist hier, dass eine große Anzahl an 48-V-Leitungen aus dem Kofferraum in den Motorbereich geführt werden muss, was weniger ein Problem aufgrund des Leitungsgewichts, sondern vielmehr ein erhebliches Gefahrenpotenzial darstellt. Dem gegenüber steht eine Möglichkeit (Fall (b)), bei der die 48-V-Batterie zusammen mit der 48-V-Sicherungsbox im Motorraum verbaut wird. Der DC/DC-Wandler wird in die unmittelbare Nähe des Starter-Generators und damit auch in den Motorbereich gesetzt. Aus vielerlei Hinsicht überzeugt diese Topologie, aufgrund der Abmessungen des 48-V-Batterie-Packs ist sie jedoch nicht in allen Fällen zu realisieren.

Selbst wenn man, wie in Fall (c) dargestellt, den DC/DC-Wandler in den Kofferraumbereich verlagert und damit eine längere Starter-Generator-Leitung in Kauf nimmt, bleibt diese Topologie eine Herausforderung für die Ingenieure der OEMs. Aus den aktuellen Gegebenheiten stellt sich eine Verlegung, wie in Fall (d) gezeigt, als guter Kompromiss heraus. Durch die zusätzliche Sicherungsbox im Motorraum wird nur eine 48-V-Summenleitung, die mit geeigneten Maßnahmen entsprechend geschützt werden kann, vom Heck- in den Frontbereich des Fahrzeugs gezogen. Die verbleibenden Leitungsstrecken von den beiden zentralen Leistungsverteilern zu den maßgeblichen 48-V-Lasten sind dadurch bestmöglich kurz gehalten.

Gefahren erkennen und vorbeugen

Um die Gefahr eines Kabelbrandes auszuschließen, müssen die Leitungen vor Überhitzung durch Überströme und Kurzschlüsse geschützt werden. Die Schmelzsicherung ist das Schutzorgan mit der weitesten Verbreitung: ein irreversibles thermisches Element, das den betroffenen Pfad abschaltet, indem der Schmelzleiter durchbrennt.

Neben Kurzschlüssen können im 48-V-Bordnetz – anders als im 12-V-Bordnetz – auch Lichtbögen entstehen. Untersuchungen zeigen, dass Lichtbögen ab einer Spannung von etwa 20 V stabil brennen können. Zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens ist eine Mindestleistung erforderlich, das heißt, selbst bei ausreichend hohem Spannungsniveau muss ein hinreichend großer Strom fließen. Lichtbögen können an verschiedenen Stellen in einem Fahrzeugbordnetz auftreten, und zwar überall dort, wo ein Stromkreis unter Last getrennt wird.

Bei der Betrachtung eines typischen Strompfades (Bild 3) fällt der Blick zunächst auf die Schaltkontakte eines mechanischen Relais und die Kontakte einer Steckverbindung. Wird ein Stecker unter Last gezogen, so entsteht ein Lichtbogen, der jedoch schnell verlöscht, sobald der Kontaktabstand groß genug ist. Die deutlich gefährlichere Ursache im Bereich der Steckverbinder ist der Wackelkontakt, der über die Lebensdauer des Kontaktsystems bereits im 12-V-Bordnetz gefürchtet ist. Durch den erhöhten Übergangswiderstand tritt eine Funktionsstörung auf und es entsteht eine punktuelle Wärmequelle, die das aus Kunststoff bestehende Steckergehäuse lokal um die Kontaktkammer aufschmelzen lässt. Dieser Effekt erfordert im 48-V-Umfeld aufgrund der Lichtbogenthematik eine noch größere Beachtung.

Ein Leitungsbruch kann ebenfalls einen Lichtbogen nach sich ziehen. Spricht eine Schmelzsicherung an, tritt auch hier ein Lichtbogen auf, der prinzipbedingt nicht zu verhindern ist, jedoch kontrolliert werden muss. Die höchste Beanspruchung stellt hierbei der niederohmige Kurzschluss dar, weil in diesem Fall die umgesetzte thermische Energie am größten ist. Daher sind die Anforderungen an eine 48-V-Sicherung deutlich höher als an eine 12-V-Sicherung.

Die Sicherung muss ein Schaltvermögen von bis zu mehreren 1000 A bei einer Prüfspannung von mindestens 60 V gewährleisten. Dabei muss sichergestellt sein, dass der entstehende Lichtbogen das Schmelzleitergehäuse nicht zerstört, nicht austritt und keine Brandgefahr für die Umgebung darstellt. Entsprechende kon­struktive Gestaltungsmerkmale, wie sie auch bei applikationsspezifischen Mehrfachsicherungen von Leoni zu finden sind, sorgen für ein kontrolliertes und sicheres Löschen des Lichtbogens innerhalb des Schmelzleitergehäuses.