Bordnetz Mit elektronischen Komponenten das Energiemanagement optimieren

Mit den richtigen Bordnetzkomponenten lässt sich das Energiemanagement verbessern.
Mit den richtigen Bordnetzkomponenten lässt sich das Energiemanagement verbessern.

Trotz der deutlich gestiegenen Komplexität des Bordnetzes gibt es aus der Sicht von Komponentenherstellern zahlreiche interessante Lösungsansätze, mit denen sich das Energiemanagement optimieren lässt – und zwar sowohl für derzeit übliche 12-V-basierte Bordnetze als auch für zukünftige 48-V-Bordnetze.

Die moderne Automobilelektronik muss sich mit vielen neuen Technologien beschäftigen. Das Spektrum reicht vom 48-V-Dual-Spannungsbordnetz über Hochspannungsbordnetze, intelligente Batteriesensoren und DC/DC-Wandler im kW-Bereich bis hin zu hybriden Antriebskonzepten. Dementsprechend hat auch die Komplexität des Bordnetzes – des Nervensystems eines Fahrzeuges – erheblich zugenommen, denn ein solches Netz muss inzwischen eine hohe Anzahl von sehr unterschiedlichen Lasten parallel und in Echtzeit zuverlässig versorgen und kontrollieren, dabei zudem Spitzenlastanforderungen kompensieren bzw. ausgleichen – und das zum Teil auch bei abgeschaltetem Motor und Generator.

Wegen der begrenzten Leistung des bisher üblichen 12-V-Generators (Dauerleistung bis max. 5 kW) und des gestiegenen Bedarfs an elektrischer Energie müssen die einzelnen, für den Fahrbetrieb nötigen Verbraucher wie elektrische Lenkung, elektrische Pumpen (meist BLDC), Motormanagement und -kühlung, Bremssystem und Licht sowie auch die zunehmende Anzahl an leistungshungrigen Nebenaggregaten (z.B. Klimagebläse, Audiosysteme, Kommunikationsgeräte und Chassis-Steuerungen) möglichst ohne nennenswerten Zeitverzug überwacht und nachgeregelt werden.

Das Herzstück für alle elektrischen Lasten in einem Fahrzeug ist die Bordnetzstromversorgung. Bei der Bordnetzspannung gibt es zum einen die Dauerversorgung (Klemme 30) und zum anderen die Zündspannungsebene (Klemme 15). Die Dauerspannungsversorgung ist für das Schließsystem (Passive Entry) und die Wegfahrsperre, aber auch für Audio und Beleuchtung von großer Bedeutung. Die Bordnetzstromversorgung kontrolliert und reguliert Überlasten, kurzzeitige Lastspitzen sowie Unterspannung und sichert gegen Kurzschlüsse, Überhitzung sowie Energieausfälle von sicherheitsrelevanten Systemen.

Mit der Batterieversorgung (Klemme 30) sind viele Steuergeräte für In­stru­mentenanzeige, Audio und Navigation, Telematikeinheit oder auch für die Innenraumbeleuchtung verbunden. Auf diesen Steuergeräten sind zahlreiche Schaltregler (bis zu 60 oder 70 pro Fahrzeug) implementiert, um die Versorgungsspannungen (von 1 V(DC) bis hin zu 400 V(DC)) je nach Last zu gewährleisten. Die wichtigste Aufgabe besteht darin, dass all die Versorgungseinheiten keinerlei Unterspannung bzw. Lastschwankungen erleiden. Das muss unabhängig vom momentanen Betriebsmodus gewährleistet sein, also beim Starten ebenso wie beim Stoppen, Beschleunigen oder Verzögern bis hin zur Gefahrenbremsung.

Eine mangelhaft oder falsch dimensionierte Stromversorgung würde man zum Beispiel an einer kurzzeitigen Dimmung der Rückleuchten und der Hintergrundbeleuchtung von Displays und Anzeigeinstrumenten erkennen. Bei Audio-Anlagen wiederum würden sich ein störendes Knacken, leichte Lautstärkeschwankungen bzw. unangenehme Aussetzer bemerkbar machen. Störungen im Bordnetz entstehen durch das Ein- und Ausschalten von induktiven und kapazitiven Lasten, von Elektromagneten, Relais, Elektromotoren und großen Kondensatoren (Zwischenkreis und Backup). Auch Stromgeneratoren, die den pulsierenden Gleichstrom mit einem Drehstromgleichrichter erzeugen, können in einem Bereich von 1 kHz bis 20 kHz eine leitungsgebundene Störung für Audio-Anlagen oder Freisprechanlagen verursachen.

Für einen störungsfreien Betrieb muss folglich die Spannungsversorgung einzelner Steuergeräte stabil gehalten werden. Fast alle Steuergeräte mit digitaler Logik und Bussystemen benötigen geringere Versorgungsspannungen als die übliche Batteriespannung. ICs, Mikrocontroller und schnelle Prozessoren erfordern in der Regel lediglich 5 V, 3,3 V, 1,5 V, 1 V und vergleichbare stabilisierte Spannungen.

Um einen höheren Wirkungsgrad bei der Generierung der einzelnen Versorgungsspannungen der ECUs zu realisieren, erzeugt man zunächst 6 bis 8 V(DC) in einer Zwischenspannungs-Vorstufe, einem sogenannten Buck Converter (Tiefsetzer). Ausgehend von diesem Spannungsniveau generiert man die weiteren erforderlichen, kleineren Gleichspannungen. Sinkt allerdings die Versorgungsspannung der Batterie infolge von erheblicher Belastung des Bordnetzes durch häufige Startvorgänge unter das Zwischenspannungsniveau, würde es zu Funktionsausfällen der Spannungsversorgung und somit der Steuergeräte kommen. Das macht die zuverlässige Bordnetzstabilisierung in modernen Fahrzeugen so wichtig.