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Smart Mobility / Kommunikation

Herausforderungen bei elektrischen Antriebsarchitekturen

20. März 2019, 17:05 Uhr | Carlos Pardo, CEO und Mitgründer von KDPOF

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

48 Volt Bordnetz-Architektur

Als Reaktion auf die Forderungen nach einer weiteren Reduktion der Treibhausgase bis 2021 kündigen OEMs und Tier1 für die nahe Zukunft neue Hybrid-Architekturkonzepte auf Basis der zwei Versorgungsspannungen 12 und 48 Volt an. Eine 48-Volt-Elektrik mit dualer Spannung wandelt hohe Stromlasten zu 48 Volt und reduziert so die elektrischen Verluste und das Drahtgewicht. Die ersten 48-Volt Hybrid-Modelle kommen 2020 auf den Markt. Diese Basisarchitekturen mit 48 Volt werden E-Charger (Elektroturbos) mit einer 10- bis 15-prozentigen Verbesserung der Treibstoffeffizienz enthalten.

Diese neue 48-Volt-Bordnetzarchitektur reizt die Grenzen der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Sicherheitsanforderungen aus. Ein weiteres Beispiel für den neuen, industrieweiten Technologietrend hin zur 48-Volt-Spannungsversorgung und den Umgang mit ihr ist die VDA 320 – eine Empfehlung für elektrische und elektronische Komponenten im Fahrzeug für die Entwicklung eines 48-Volt-Bordnetzes. Sie definiert Anforderungen, Prüfbedingungen und Prüfungen an elektrische, elektronische und mechatronische Komponenten und Systeme für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mit einem 48-Volt-Bordnetz.

Die ersten Anforderungen für Komponenten mit einer 48-Volt-Verbindung heißen laut VDA 320: "... Ein Einfachfehler darf zu keinem Kurzschluss zwischen BN48 und BN12/BN24 führen. Komponenten mit gleichzeitiger BN48-Versorgung und BN12-/BN24-Versorgung oder Schnittstellen auf BN12-/BN24-Basis benötigen einen eigenen Masseanschluss für beide Versorgungsbereiche. Diese Masseanschlüsse sind räumlich voneinander zu trennen ..."

Die Herausforderung für Automobilelektronik-Entwickler liegt darin, ein BMS zu implementieren, das eine Kombination aus sicherem Betrieb, langer Batterielebensdauer und der Trennung der Niedrig- und Hochvolt-Bereiche bietet – ohne Notwendigkeit zahlloser Komponenten in einem komplexen Schaltungsdesign. Da die Entwicklung des 48-Volt-Stromversorgungssystems erst am Anfang steht, gibt es noch keine bevorzugte Architektur oder Ansatz für diese Ziele.

Es bedarf neuer Sicherheitsvorkehrungen, denn bereits eine einzige Störung zwischen dem 48- und dem 12-Volt-Elektrosystem löst einen Kurzschluss aus, der aufgrund der Überspannung das gesamte 12-Volt-System beschädigen kann. Das Chassis stellt ein gemeinsames Massepotenzial sämtlicher 48-Volt-Steuergeräte im Fahrzeug. Da das Chassis eine Impedanz trägt, wird ein erheblicher Teil des Rückstroms darüber abgeleitet; und ein Anteil des Rückstroms bahnt sich seinen Weg parallel - über die Abschirmung der Kupferkabel.

Die Notwendigkeit an einem umfassenden Kommunikationsnetzwerk im Fahrzeug und speziell zwischen den Steuergeräten unterschiedlicher Spannungsbereiche stellt folglich eine mögliche Gefahrenquelle dar. Damit wird eine galvanische Trennung zwischen den Kommunikationsknoten als zusätzliche Voraussetzung notwendig. Bei jedem Ereignis wie den oben genannten, welches das 48-Volt- mit dem 12-Volt-Netz verbindet, könnten kommunizierende Steuergeräte Schaden nehmen, sofern die Leitungstransceiver nicht ausreichend galvanisch getrennt sind (Bild 3).

Dagegen basiert die optische Polymerfaser (POF) gemäß 1000BASE-RH auf dielektrischen Medien und ist eine echte galvanische Barriere zwischen den Domänen. Gleichzeitig bietet sie eine Kommunikationsgeschwindigkeit von bis zu 1 Gbit/s.