48-V- und 12-V-Bordnetz nebeneinander betreiben

Trotz der Erfüllung immer strengerer Abgasnormen sowie der Versorgung einer wachsenden Anzahl von On-Board-Systemen sollen die Fahrzeuge von heute effizient und leistungsstark sein. Um diese Kombination zu ermöglichen, setzen Ingenieure zunehmend auf Systeme, die eine mit 48 V betriebene Elektrik mit konventionellen Verbrennungsmotoren verbinden. Seit dem „15. Automobil-Elektronik Kongress in Ludwigsburg“ im Jahr 2011 ist 48 V als neuer Standard für Bordnetze gesetzt.

Eine besonders wichtige Rolle bei der Kombination von 12-V- mit 48-V-Bordnetzen spielt die galvanische Trennung, die einerseits dazu dient, die Immunität gegen Störungen auf der Masse zu gewährleisten. Andererseits soll sie das 12-V-Bordnetz schützen, wenn es zu Anhebungen des Massepotenzials kommt oder Fehler in den 48-V-Systemen auftreten, mit denen sie verbunden sind.

Galvanische Trennung im 48-V-Bordnetz

Bild 1: Direkte (a) und galvanisch isolierte (b) Verbindung zwischen dem 12-V- und dem 48-V-Bordnetz. Texas Instruments

In Fahrzeugen mit 48-V-Bordnetz (in der Regel mit einem Lithium-Ionen-Akku) ist nach wie vor – quasi parallel dazu – ein konventionelles 12-V-Bordnetz mit Blei-Säure-Batterie vorhanden, das die Steuerungselektronik und Verbraucher mit geringerer Leistung speist. Systeme, die mit diesen beiden Versorgungsspannungen arbeiten, müssen untereinander kommunizieren. Zum Beispiel kontrolliert die mit 12 V versorgte Motorsteuerung den mit 48 V gespeisten Startergenerator. Die Massen beider Systeme sind mit dem Chassis des Fahrzeugs verbunden. Theoretisch ist es möglich, beide Bordnetze, so wie auch in Bild 1a gezeigt, direkt miteinander zu verbinden. In Wirklichkeit ist aber nahezu immer die in Bild 1b gezeigte galvanische Trennung erforderlich.

Dies liegt zum einen an den kurzzeitigen Unterschieden zwischen den Massepotenzialen. Die Massen von 12-V-Bordnetzen sind per Schraubverbindung direkt mit dem Fahrzeugchassis verbunden. Die Masseverbindung der mit 48 V betriebenen Module (zum Beispiel Startergenerator oder Klimaanlagen-Kompressor) hingegen erfolgt über Kabel. Die Kabellänge kann hier durchaus einen Meter oder mehr betragen. Die hohen geschalteten Ströme in 48-V-Systemen können zusammen mit der Induktivität des Massekabels dazu führen, dass es auf dem Massepotenzial zu kurzzeitigen Störimpulsen kommt. Diese Störimpulse sind in der Lage, Kommunikationssignale mit niedrigen Spannungen von beispielsweise 3,3 V oder 5 V zu verfälschen. Zur Sicherstellung einer zuverlässigen Datenübertragung ist eine galvanische Trennung deshalb unerlässlich.

Ein weiterer Grund ist die Anhebung des Massepotenzials auf der 48-V-Seite. Beim Auftreten von Störungen oder bei Wartungsarbeiten kann es passieren, dass sich die 48-V-Masse (Bild 1a) vom Fahrzeugchassis löst, während die 48-V-Versorgung des jeweiligen Moduls nach wie vor mit der 48-V-Batterie verbunden ist. In einem solchen Fall kann das Potenzial an allen internen Knoten des 48-V-Bordnetzes – darunter auch an der Schnittstelle zum 12-V-Bordnetz – auf 48 V ansteigen. Dies stellt jedoch eine Gefahr für 12-V-Systeme dar, deren Eingangs- und Ausgangs-Ports möglicherweise nicht für 48 V geeignet sind. Wenn wie in Bild 1b dargestellt, die 48-V-Spannung jedoch nur an der galvanischen Isolationsbarriere anliegt, führt die gleiche Störung zu keiner Belastung des 12-V-Bordnetzes. Diese ist in der Regel für deutlich höhere Spannungen von beispielsweise 2,5 kV ausgelegt.

Auch aufgrund von besonderen Situationen im Falle eines Kurzschlusses ist die galvanische Trennung erforderlich. Bei der in Bild 1a gezeigten Darstellung kann jeder Kurzschluss dazu führen, dass an der Schnittstelle zum 12-V-Bordnetz eine Spannung von 48 V liegt. Dies wiederum kann eine Gefahr für zahlreiche Schaltungen darstellen, die mit 12 V betrieben werden – unter anderem auch für solche, die kritisch sind für den sicheren Betrieb des Fahrzeugs. Mit der galvanischen Isolation lässt sich hier sicherstellen, dass jegliche Kurzschlüsse im 48-V-Bordnetz nicht in das 12-V-Bordnetz gelangen können.

Isolation von 48-V-Systemen mit dem CAN-Interface

Bild 2: Beispiel für die galvanische Isolation zwischen dem 12-V- und dem 48-V-Bordnetz in einem Mildhybrid-Fahrzeug. Texas Instruments

Die galvanische Trennung lässt sich auf verschiedenen Wegen einrichten, wobei sich die Isolationsbarriere auch an verschiedenen Stellen im System befinden kann. Bild 2 zeigt eine gängige Möglichkeit, wie sich die Isolation am CAN-Interface herstellen lässt. Dies hat gegenüber anderen Stellen im System den Vorteil, dass der Nutzer mit der geringsten Anzahl an Isolationskanälen auskommt. Da nur zwei Isolationskanäle nötig sind, reduzieren sich die Kosten ebenso wie die erforderliche Leiterplattenfläche.

Ein isolierter Gleichspannungswandler stellt eine isolierte Versorgungsspannung (VISO) zur Verfügung, die einen Teil des 48-V-Systems speist. VISO versorgt den Digitalisolator und kritische Teile des 48-V-Bordnetzes mit Strom – und zwar auch dann, wenn die 48-V-Batterie vollständig entladen ist. Außerdem lässt sich die 48-V-Seite mithilfe von VISO auch in einen sicheren Zustand versetzen, wenn die 48-V-Masse unterbrochen ist. Mittlerweile gibt es integrierte isolierte CAN-Transceiver und isolierte Gleichspannungswandler, die die Einrichtung einer isolierten CAN-Schnittstelle in 48-V-Systemen vereinfachen, wie zum Beispiel bei einem 48-V-Startergenerator (Bild 3). Ähnliche Isolations-Architekturen können aber auch bei Gleichspannungswandlern, Batteriemanagement-Systemen, Heizgeräten oder Luftkompressoren zum Einsatz kommen.

Isolierte CAN-Transceiver

Integrierte, isolierte CAN-Transceiver in Single-Chip-Ausführung wie der in Bild 3 gezeigte ISO1042-Q1 von Texas Instruments (TI) enthalten eine spannungsfeste galvanische Trennung zusammen mit einem CAN-Transceiver. Dies trägt dazu bei, den Platzbedarf auf der  Leiterplatte  zu verringern und gleichzeitig die Timing-Parameter zu verbessern. In Bezug auf die CAN-Implementierung ermöglichen kurze Schleifenverzögerungen und ein geringer Skew eine schnelle Datenkommunikation mittels CAN-FD (Flexible Data Rate). Die Isolierung bietet Immunität gegen leitungsgeführte und abgestrahlte Störungen. Eine redundante oder verstärkte Isolierung kann außerdem einen zusätzlichen Spielraum beim Schutz im Fehlerfall bieten.

Bild 3: 48-V-Startergenerator mit isoliertem CAN-Transceiver und Push-Pull-Stromversorgung. Texas Instruments

In Verbindung mit einem externen Transformator kann ein Push-Pull-Transformatortreiber wie der SN6505 von TI eine isolierte Versorgungsspannung VISO_HV, (im Bereich von 10 V bis 15 V) für die MOSFET-Gatetreiber bereitstellen und gleichzeitig eine zwischen 3,3 V und 5 V liegende, niedrigere VISO erzeugen, die den Mikrocontroller und die digitale Seite des isolierten CAN-Bausteins speist. Die Push-Pull-Topologie verwendet zwei Low-Side-Schalter, die in abwechselnden Taktphasen eingeschaltet sind, um die Leistung kontinuierlich über einen mittig angebrachten Isolationstransformator zu übertragen. Die Topologie nutzt eine Störgrößenaufschaltung, wobei ausschließlich das Windungsverhältnis des Transformators die Höhe der geregelten Ausgangsspannung bestimmt. Die kontinuierliche Leistungsübertragung führt zu deutlich niedrigeren Spitzenströmen im Vergleich zu anderen Topologien. Daraus resultieren geringere Emissionen und ein höherer Wirkungsgrad. Außerdem verhindert die symmetrische Ansteuerung eine Sättigung des Transformators, sodass sich die Transformatoren kompakter konstruieren lassen.

Auf der 12-V-Seite kann ein nicht isolierter Gleichspannungswandler oder Abwärtswandler eine Spannung von 5 V erzeugen, die den CAN-Transceiver versorgt und gleichzeitig als Eingangsspannung für den Push-Pull-isolierten Gleichspannungswandler dient. Ist ein Abwärtswandler vorangeschaltet, so wird das System unempfindlich gegenüber Spannungsschwankungen auf dem 12-V-Bordnetz, die durch wechselnde Belastung entstehen können. Wenn die Eingangsspannung niedriger ist (zum Beispiel 5 V anstelle von 12 V) können auch kleinere Transformatoren zum Einsatz kommen.

Fazit

Die galvanische Trennung ist ein wichtiges Thema bei Automobilen mit einem 48-V-Bordnetz. Sie sorgt für Immunität gegen Störgrößen auf der Masse und schützt die mit 12 V betriebenen Systeme bei Anhebung des Massepotenzials oder Fehlern in den 48-V-Systemen, mit denen sie verbunden sind. 48-V-Systeme in Hybridfahrzeugen versorgen unter anderem Startergeneratoren, elektrisch angetriebene Turbolader, Pumpen, Klimaanlagen, Heizgeräte sowie elektrische Federungssysteme und Fahrerassistenzsysteme. Integrierte isolierte CAN-Transceiver kombiniert mit isolierten Gleichspannungswandlern, die auf der Push-Pull-Technologie basieren, stellen eine kompakte, robuste und störungsarme Technik für die Isolation von 48-V-Bordnetzen dar.

(aok)