Das Umfeld für die Produktentwicklung hat sich in den letzten Jahren deutlich verändert: Sowohl die Endkunden als auch staatliche Stellen erwarten immer schnellere Innovationszyklen sowie eine steigende Umweltverträglichkeit von Konsumgütern. Ein großes Potenzial, diese gesellschaftlichen Zielvorgaben im Bereich der Automobilbranche umzusetzen, birgt das 48-Volt-Bordnetz.

48 Volt

Bild 1: Mögliche Konzepte zur Integration der 48-Volt-Spannungsebene in zukünftigen Bordnetzen unterscheiden sich deutlich in ihrem Umfang. Dräxlmaier

Es ermöglicht sowohl neue Fahrzeugfunktionen, die unter anderem Voraussetzung für zukünftige Megatrends wie das autonome Fahren sind, als auch eine generelle Effizienzsteigerung. Doch mit der Einführung des 48-Volt-Bordnetzes (Bild 1) stehen die Ingenieure auch vor neuen Herausforderungen. So ergeben sich aufgrund der erhöhten Spannung besondere Anforderungen an die funktionale Sicherheit, die in Normen wie der ISO 26262:2011 festgehalten sind.

Wo liegen also die Vorteile des 48-Volt-Bordnetzes und mit welchen Lösungsstrategien wird man den daraus erwachsenden Herausforderungen begegnen?

Effizienz im Fokus

Eine wesentliche Herausforderung für zukünftige Bordnetzarchitekten liegt in der Diversifizierung der Antriebskonzepte. Neben klassischen Verbrennungsmotoren, die weiterhin fossile Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel nutzen, gewinnen andere Technologien an Bedeutung. Darunter fallen zum einen der Wasserstoff- als auch in besonderem Maße der Elektroantrieb sowie eine Vielzahl von Hybridkonzepten. Da bei diesen Antriebstechnologien verstärkt auf die Optimierung des Energiehaushalts sowie eine Verbesserung der Gesamteffizienz geachtet werden muss, bietet der Einsatz eines 48-Volt-Netzes klare Vorteile. Nicht nur, dass das 48-Volt-Netz bestimmte Fahrzeugfunktionen in den Bereichen Fahrwerk, Heizung, Klimaanlage oder Antrieb überhaupt erst möglich macht. Mehr noch: Besonders Nebenaggregate wie Pumpen und Lüfter haben ein günstigeres Leistungsgewicht und arbeiten mit 48 Volt effektiver. Generell bietet die im Vergleich zum konventionellen 12-Volt-Bordnetz erhöhte Spannung vor allem dort Vorteile, wo ein relativ hoher Leistungsbedarf besteht. Grundsätzlich könnten diese Anwendungsfälle zwar auch mit Hochvolttechnik abgedeckt werden, allerdings sprechen die vergleichsweise aufwendigen Schutzmaßnahmen gegen diese Option.

Die Motivation für den Einsatz von 48 Volt liegt also in der Realisierung neuer elektrischer Hochleistungsverbraucher, darunter Rekuperationstechnik und Booster-Funktionen im Bereich bis maximal zehn Kilowatt, sowie der Steigerung der allgemeinen Energieeffizienz durch die Elektrifizierung von mechanischen Verbrauchern, wie zum Beispiel Turboladern. Ein weiterer Pluspunkt ist die mögliche Gewichtsersparnis. Bei einer Dauerleistung von einem Kilowatt reduziert sich der Leitungsquerschnitt beispielsweise von 16 mm2 im 12-Volt-Netz auf deutlich geringere 2,5 mm2 im 48-Volt-Netz.

Bordnetz der Zukunft

Bei der Integration von 48 Volt in zukünftigen Bordnetzarchitekturen gehen die Automobilhersteller derzeit sehr unterschiedliche Wege. Während manche recht zurückhaltend agieren und ab dem Jahr 2022 lediglich einfache Systeme für die Rekuperation einsetzen wollen, planen andere bereits ab dem Jahr 2020 die umfangreiche Nutzung der Spannungsebene in den Bereichen Fahrwerk, Heizung, Klimaanlage und Antrieb.

Auffällig ist, dass derzeit keine Realisierung einer Lenkunterstützung auf 48-Volt-Basis geplant ist, obwohl gerade hier durch den hohen Leistungsbedarf große Effizienzvorteile möglich wären. Dies liegt vor allem daran, dass der Stromfluss in der 48-Volt-Spannungsebene bei den gegenwärtigen Bordnetzkonzepten im Fehlerfall komplett unterbrochen wird. Der damit einhergehende Ausfall der Lenkunterstützung wäre unter dem Aspekt der funktionalen Sicherheit nicht akzeptabel.

Entstehung von Lichtbögen

Mit einer Spannung von 48 Volt bewegt man sich noch unterhalb der Grenze, bei der ein Berührungsschutz notwendig wird. Dennoch müssen Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, da in Gleichstrom-Netzen bereits ab einer Spannung von 15 Volt die Neigung zur Bildung eines stehenden Lichtbogens signifikant ansteigt. Verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass es – anders als in Wechselstrom-Systemen – nicht zu einem Nullspannungsdurchgang kommt, der Lichtbögen in vielen Fällen zusammenfallen lässt.

Einmal gezündet, genügt relativ wenig Energie, um einen stehenden Lichtbogen zu versorgen, da der Stromfluss durch das entstehende Plasma begrenzt wird. Dies macht es schwierig, den Lichtbogenstrom vom regulären Stromfluss der Verbraucher abzugrenzen.

Lichtbögen können sich einerseits aufgrund von parallelen Schadstellen bilden, die beispielsweise durch Scheuern, bei Marderbissen oder nach einem Crash entstehen. Andererseits sind auch serielle Schadstellen möglich, etwa im Falle eines Leitungsbruchs. Zudem ist nicht auszuschließen, dass ein Lichtbogen durch missbräuchliches Stecken oder Ziehen von Verbindungselementen des Bordnetzes bei geschlossenem Stromkreis hervorgerufen werden kann.

Gibt es einen Kurzschluss im 48-Volt-Bordnetz, wird deutlich mehr Energie an der Fehlerstelle umgesetzt, als dies bei 12-Volt-Systemen der Fall ist. So können Löcher im Blech entstehen oder die Leitung selbst kann verdampfen.

 

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