Die Klimaerwärmung erfordert Maßnahmen in allen Bereichen, auch beim Automobil. Weltweit gelten ab 2020 gesetzliche CO2-Grenzwerte. Die strengsten Vorgaben gibt es dann mit 95 g/km für Europa. Um diese zu erreichen, entwickeln die Automobilhersteller verschiedene Elektroantriebskonzepte.
Das sind zum Beispiel reine Elektrofahrzeuge, die ihren Antriebsstrom aus aufladbaren Batterien beziehen oder Autos, die in einer Brennstoffzelle Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln. Zudem gibt es verschiedene Hybrid-Varianten:

  • Voll-Hybride, bei denen die Batterie während der Fahrt mit regenerativer Energie aufgeladen wird und auch rein elektrisches Fahren erlaubt.
  • Plug-In-Hybride, die an einer Steckdose aufgeladen werden können.
  • Mild-Hybride (MHEVs), die eine 48-Volt-Batterie mit regenerativer Energie aufladen und Start-Stopp-Betrieb sowie die elektrische Verstärkung des Verbrennungsmotors ermöglichen.
Bild 1: Jährliche Prognose für die Produktion von Hybrid- und Elektrofahrzeugen.

Bild 1: Jährliche Prognose für die Produktion von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Rohm

Allein im Segment 48-Volt-Mild-Hybrid prognostizieren Experten für 2024 7,1 Millionen Fahrzeuge (Bild 1). Doch wie verringert der Einsatz von Hybridantrieben den Kraftstoffverbrauch? Bei Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren und 12-Volt-Bleibatterie muss der Motor die gesamte Energie nicht nur für den Antrieb, sondern auch zum Betrieb der elektrischen Systeme wie etwa Beleuchtung oder Klimaanlage erzeugen. In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen lädt regenerative Energie, die beispielsweise durch Bremsen erzeugt wird, die Batterie auf, welche die elektrischen Systeme versorgt und außerdem den Verbrennungsmotor in verschiedenen Antriebssituationen unterstützt. Auf diese Weise wird die erforderliche Motorleistung reduziert und weniger Kraftstoff verbraucht.

Die möglichen Kraftstoffeinsparungen und damit die CO2-Reduktionen sind bei Plug-In- und Voll-Hybrid-Systemen sehr groß. Der technische Aufwand und damit die Kosten sind hier jedoch erheblich. Außerdem erschweren das zusätzliche Gewicht und der Platzbedarf den Einsatz in kompakten und kleinen Autos. Im Gegensatz dazu ist ein 48-Volt-Mild-Hybrid-System nicht nur platzsparender und kostengünstiger, sondern reduziert im Vergleich zu einem herkömmlichen 12-Volt-Fahrzeug die CO2-Emissionen signifikant.

Stromversorgungs-ICs für 48-Volt-MHEVs

Bild 2: Unterschiede der Stromversorgungssysteme mit 12 V und 48 V, wie es auch in MHEVs zum Einsatz kommt.

Bild 2: Unterschiede der Stromversorgungssysteme mit 12 V und 48 V, wie es auch in MHEVs zum Einsatz kommt. Rohm

Ein wesentlicher Unterschied zwischen konventionellen und Mild-Hybrid-Fahrzeugen ist die Nennspannung der Batterie. Bei MHEV ist sie mit 48 V viermal so hoch. Da jedoch alle anderen elektrischen und elektronischen Einheiten, einschließlich der Steuergeräte, mit den bisherigen niedrigen Spannungen arbeiten, erhöht sich somit für die Stromversorgungs-ICs die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung deutlich (Bild 2).

Um die Spannung von 48 V auf die von elektronischen Steuergeräten benötigten 5 V oder 3,3 V zu wandeln, sind typischerweise zwei Stufen erforderlich, zuerst eine Zwischenwandlung auf beispielsweise 12 V, dann eine zweite Konvertierung auf 3,3 V. Dies erhöht die Zahl der ICs und Peripheriekomponenten, den Platzbedarf und die Kosten. Nicht zuletzt verringert das Abwärtswandeln den elektrischen Wirkungsgrad, was wiederum die Verlustleistung steigert und damit den Aufwand erhöht, diese abzuführen.

Gleichspannungswandler mit einem hohen Abwärtswandlungsverhältnis, die in einem Schritt aus einer sehr hohen Eingangsspannung eine niedrige Ausgangsspannung erzeugen, wären hier die ideale Lösung. Eine Methode, das Abwärtswandlungsverhältnis zu erhöhen, ist eine niedrigere Schaltfrequenz. Dies erfordert jedoch den Einsatz größerer Spulen und Kondensatoren. Außerdem könnten Schaltfrequenzen unterhalb von 2 MHz das AM-Frequenzband stören. Daraus ergibt sich das Anforderungsprofil für einen Gleichspannungswandler mit einem hohen Abwärtswandlungsverhältnis und einer hohen Schaltfrequenz.

 

Auf der nächsten Seite stellt der Beitrag die Nano-Puls-Control-Technologie im Detail vor.

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