Bordnetz Evolution der Bordnetzarchitektur durch 48-V-Versorgungsbus

Bordnetzarchitektur 48-V-Versorgungsbus
Bordnetzarchitektur 48-V-Versorgungsbus

Nachdem das 42-V-Bordnetz vor zehn Jahren gescheitert war, klopft mit dem 48-V-Bus ein neuer Bewerber an die Tür, der hohe Anforderungen an die Automotive-Elektronik sowohl auf Halbleiter- als auch auf Systemebene stellt. Doch warum sollte es jetzt funktionieren, die Strompegel zu senken und die Spannungen zu erhöhen?

Vor mehr als zehn Jahren war die Aufregung im Automobilbereich groß: Es sollte eine neue Bordnetzspannung für Pkw eingeführt werden. Es lief darauf hinaus, die bis dahin verwendeten 12-V-Batterien durch eine 36-V-Batterie zu ersetzen und entsprechend dazu die 14-V-Bordnetzspannung um den Faktor drei auf 42 V zu erhöhen. Das bedeutete grundsätzlich eine Neukonfiguration der gesamten Elektronikarchitektur eines Autos auf einen 42-V-Versorgungsbus hin. Als Motivation für diese Bewegung Ende der 90er Jahre standen hauptsächlich die absehbaren Notwendigkeiten und Forderungen nach mehr elektrischer Leistung in modernen Autos. Dabei wurden zwei Schlüsselelemente ausgemacht, die anscheinend für diese gesteigerte Leistung verantwortlich waren.

Die elektrische Leistung erhöhen

Der erste Grund für diesen voraussichtlichen Leistungsschub war die offensichtliche Zunahme von Luxus- und Komfortsystemen, die in den Fahrzeugen zur Verfügung gestellt wurden. Dabei war hier nicht nur die Rede von leistungsfähigen Unterhaltungs- und Infotainment-Systemen, sondern vielmehr von verbrauchsintensiven Komfortfunktionen wie die elektrische Servolenkung, aktive Federungssysteme, starke Heizelemente einschließlich Frontscheibenentfroster für harte Winter oder stärkere Klimaanlagen für die immer heißeren Sommer. Nicht zu vergessen eine große Vielzahl von Fahrerassistenzsystemen, die Lang- und Kurzstreckenradar ebenso einsetzen wie Ultraschallsensoren, oder Kamerasysteme, die zur Verbesserung der aktiven und passiven Sicherheit im Auto geplant waren.

Der zweite wesentliche Grund für die gestiegenen Leistungsanforderungen entstammte dem Trend, die riemengetriebenen mechanischen Systeme und Motorantriebe wie Pumpen, Lüfter, Klimaanlagen-Kompressoren, Hydraulikkompressoren von Bremsen und Servolenkung durch elektrisch angetriebene Systeme zu ersetzen, die mit Hilfe eines DC/AC-Wandlers die Elektromotoren unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors ansteuern. Der große Vorteil von mit Umrichtern ausgestatteten und elektronisch geregelten Peripheriesystemen ist deren Drehzahlregelung. Unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors lassen sich diese auf ihrem optimierten Betriebspunkt einsetzen und antreiben oder sogar bedarfsabhängig ein- und ausschalten. Ein naheliegendes Beispiel ist die bekannte Kühlwasserpumpe in einem Kraftfahrzeug. Sie ist normalerweise über einen Riemen mechanisch mit dem Motor verbunden und liefert ihre Kühlleistung mehr oder weniger proportional zu den Umdrehungen pro Minute des Motors. Mit anderen Worten: Die Wasserpumpe verfügt über eine hohe Kühlleistung, wenn der Motor mit hohen Drehzahlen läuft - also dann, wenn auch eine hohe Luftströmung zur Kühlung des Motors vorhanden ist. Tatsächlich benötigt man die Wasserpumpe vermutlich in vielen Fällen überhaupt nicht, wenn ein guter Zwangsluftdurchfluss zur Kühlung vorhanden ist. Andererseits läuft die Wasserpumpe bei Stillstand des Wagens und im Leerlauf des Motors bei einem Verkehrsstau an einem heißen Tag sehr langsam und sorgt kaum für ausreichende Kühlung, wobei auch gleichzeitig keinerlei Luftströmung herrscht. Das ist genau der Zeitpunkt, an dem man die Kühlleistung der Wasserpumpe erhöhen möchte. Ein vom Verbrennungsmotor entkoppeltes, umrichtergesteuertes Kühlsystem könnte das Problem, die Wasserpumpendrehzahl an den aktuellen Kühlbedarf anzupassen, mühelos lösen.

Ähnlich obigem Beispiel einer riemengetriebenen Wasserpumpe gelten vergleichbare Überlegungen für die meisten anderen mechanisch angetriebenen Pumpen, Lüfter und Kompressoren. Diese ließen sich wesentlich effizienter und intelligenter einsetzen, wenn sie durch einen drehzahlgeregelten Elektromotor elektronisch geregelt würden. Dementsprechend könnten der Treibstoffverbrauch eines Autos verringert und seine Abgaswerte verbessert werden. Bedauerlicherweise führt der Ersatz von mechanisch angetriebenen Systemen durch Elektromotoren aber auch zu einer gewaltigen Steigerung des Leistungsbedarfs, den die Lichtmaschine zur Verfügung stellen müsste.

Steigerung der Spannung

Schlussendlich deuteten die genannten Verbesserungspläne darauf hin, dass der durchschnittliche Leistungsverbrauch in einem Auto schnell die typischen Grenzen der Lichtmaschine überschreiten würde, die ungefähr unter 3 kW lagen. Die zu jener Zeit modernen Lichtmaschinen schienen im Angesicht all dieser Leistungsverbraucher äußerst knapp bemessen, insbesondere unter Worst-Case-Bedingungen, bei denen man davon ausging, dass alle Systeme gleichzeitig Leistung beziehen.

Folglich begannen sich die OEMs und die Tier1-Systemzulieferer nach einer höheren Leistungsverfügbarkeit im Fahrzeug umzusehen. Die Leistung zu erhöhen bedeutet entweder mehr Strom oder höhere Spannungen. Entsprechend dem einfachen Ohmschen Gesetz würden - bei hohen Strömen und einer Spannung von 14 V - Leistungsverluste in den Kabeln und Schaltern dementsprechend ansteigen, und zwar der Strom I² proportional zum Widerstand RKabel, Schalter…

PVerlust =I2 x RKabel, Schalter...

Um also die Autos effizienter zu machen und sie gleichzeitig sowohl um Luxus-, Sicherheits- und Komfortfunktionen als auch um drehzahlgeregelte Motoren zu erweitern, wäre eine Erhöhung der Spannung eine bessere Lösung als eine Steigerung der Strompegel. Durch Senkung der Stromanforderungen bei höheren Spannungspegeln lassen sich in Wirklichkeit sogar die Leitungs- und Schaltverluste verbessern; es könnten dünnere Kupferkabel zum Einsatz kommen, was mit weniger Gewicht im Fahrzeug gleichbedeutend ist. Deshalb bestand das damals bevorzugte, logische Konzept in einer Erhöhung der Bordnetzspannung von 14 auf 42 V, anstatt 2- bis 3-mal höhere Ströme auf einem 12-V-Versorgungsbus zuzulassen.

Während das von einem rein technischen Standpunkt aus sinnvoll ist, brachte die technische Implementierung große kommerzielle Probleme mit sich. Der Ersatz der 14-V- durch eine 42-V-Architektur bedeutete eine Änderung nahezu jedes elektronischen Bauelements und Systems, die sich bislang im Auto befanden. Von Leistungshalbleitern und Schaltern bis zu ICs, von passiven Bauelementen bis zu Sensoren, sogar Scheinwerferlampen hätten neu entwickelt werden und an die viel höheren Spannungspegel angepasst werden müssen. Die damaligen Fahrzeuge waren nahezu hundertprozentig von 12/14-V-Komponenten abhängig, und auch die EMV, Störpegel, Überspannungsbedingungen und Schutz des Nutzers durch Isolierung usw. stützen sich auf eine sichere und gut geregelte 14-V-Architektur. Wobei sich Spannungspegel oder Spannungsspitzen unter einem typischen Maximalwert von 40 V bewegten.

Problem: Hohe Kosten

Zwar wurde die Entwicklung von 42-V-Bauelementen, -Systemen und -Architekturlösungen in nie zuvor erreichten gemeinsamen Anstrengungen von OEMs und Kraftfahrzeugzulieferern verabschiedet und machte beeindruckende Fortschritte, allerdings erwies es sich als kostenintensiv, zeitraubend und Ressourcen-intensiv, die Architektur eines solchen 42-V-Fahrzeugs zu bauen und zu qualifizieren. War der Endverbraucher bereit, den Preis zu bezahlen?

Nun, es stellte sich heraus, dass die Akzeptanz eines Preisaufschlags für einen 42-V-Wagen durch den Markt und die Endverbraucher begrenzt war. Der offensichtliche Wert für den Anwender, 42 anstelle von 14 V unter der Motorhaube zu haben, war allem Anschein nach nicht hoch. Sämtliche Komfortfunktionen hätten ohnehin als Extras oder Optionen bezahlt werden müssen. Doch im Übrigen käme noch der Preisaufschlag für das 42-V-Backbone hinzu. Leider würde es für den Nutzer eines Fahrzeugs keinen Unterschied ausmachen, ob er ein elektrisches 14- oder ein 42-V-System unter der Haube hatte. Im Gegensatz zu einem stärkeren Motor oder einem besseren Drehmoment im Antriebsstrang, die zu einem verbesserten Fahrerlebnis führen, resultiert die erhöhte Bordnetzspannung keineswegs in ein erkennbares oder direkt fühlbares überlegenes Fahrverhalten. Es gab also keinen einfach zu erkennenden Endnutzerwert für die 42 V, der vermarktet oder als gutes, wertsteigerndes Verkaufsargument hätte benutzt werden können. Über dieses Problem hinaus brachten die durch das 42-V-Bordnetz ermöglichten Treibstoff-einsparungen und Wirkungsgradverbesserungen dem Endnutzer keine Rendite für die getätigten Investitionen.

Kurz: das Konzept brachte keinen ausreichend zwingenden Wertzuwachs mit sich. Im Gegensatz zu den heutigen Hybridfahrzeuglösungen lagen die Verbesserungen im Treibstoffverbrauch bei 42 V im unteren einstelligen Bereich. Sie wurden ausschließlich durch eine bessere Nutzung der durch die Lichtmaschine erzeugten bordeigenen Energie erreicht, was die Belastung des Verbrennungsmotors leicht reduzierte. Zwar schien zuweilen ein Einzelsystem durch den Einsatz eines drehzahlgeregelten Motors effizienter zu werden, doch erwiesen sich die insgesamt erreichbaren Verbesserungen im Rahmen eines Echtzeit-Nutzungsprofils sowie unter echten Fahrbedingungen als wesentlich kleiner als erwartet. So begannen schließlich die OEMs, von der 42-V-Idee Abstand zu nehmen. Das endgültige Todesurteil für das 42-V-Konzept fiel, als der technische Verstand in der Lage war, den Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung der Lichtmaschine über die etablierten Grenzen hinaus wirklich zu verbessern. Gleichzeitig machten auch Power-Management-Bausteine wie MOSFETs bedeutende Fortschritte hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit. Halbleiterschalter wurden effizienter (Bild 1), besonders mit der Einführung der ersten Trench-MOSFETs, die dafür sorgten, dass Anwendungen mit höherem Stromverbrauch selbst in einem 14-V-Bordnetz unter akzeptablen Leistungsverlusten zufriedenstellend arbeiten (Bild 2).