Die 48-Volt-Technologie für Fahrzeuge hilft den Kraftstoffverbrauch zu senken, reduziert die Umweltbelastung und kann die Motorleistung steigern. (Bild: TDK)
Die 48-Volt-Technologie für Fahrzeuge hilft den Kraftstoffverbrauch zu senken, reduziert die Umweltbelastung und kann die Motorleistung steigern. TDK
Eckdaten
Die 48-Volt-Technologie für Fahrzeuge hilft den Kraftstoffverbrauch zu senken, reduziert die Umweltbelastung und kann gleichzeitig die Motorleistung steigern. Die wichtigste Baugruppe dabei ist ein leistungsstarker Buck-Boost-Konverter. TDK bietet mit Leistungsinduktivitäten und Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren dafür entscheidende passive Bauelemente.
Die Anzahl der elektrischen Verbraucher in Fahrzeugen nimmt kontinuierlich zu: Aufwendiges Antriebsmanagement, Komforteinrichtungen wie elektrische Zusatzheizungen und sicherheitsrelevante Systeme wie ABS, ESP und viele andere mehr entpuppen sich als wahre Leistungsfresser. Entsprechend steigen die Leistungen, die Lichtmaschinen heute bereitstellen müssen. Anfang der 80er Jahre kamen selbst Fahrzeuge der Oberklasse noch mit Generatoren mit rund 0,7 kW aus. Heute dagegen liegt die geforderte Leistung bereits bei 3,5 kW, was einer Steigerung um das 7-fache entspricht. Die Krux dabei: Liefert ein 14-V-Generator diese Leistung, fließt ein Strom von 250 A. In dieser Spannungs-Strom-Relation ist jedoch nur noch ein Wirkungsgrad von maximal 70 % erzielbar. Dadurch ist eine Eingangsleistung des Generators von 5 kW erforderlich, die der Motor erbringen muss. Ein weiterer Nachteil der in Summe hohen Ströme sind die dafür erforderlichen großen Leitungsquerschnitte, die nicht unerheblich zum Fahrzeuggewicht und damit auch zu höheren Kosten beitragen.
Bild 1: Prinzip der kombinierten12-/48-Volt-Bordnetzarchitektur. Die meisten Entwicklungen setzen den Generator auf die 48-Volt-Ebene, womit höhere Leistungen und Wirkungsgrade erzielt werden können. Gekoppelt werden die beiden Spannungsebenen durch einen bidirektional arbeitenden Buck-Boost-Konverter. TDK
Da die Forderungen nach einem weiter verringerten Kraftstoffverbrauch und niedrigeren CO2-Ausstoß immer strenger werden, muss dringend ein Ausweg aus diesem Dilemma gefunden werden. Mit der 48-Volt-Technologie lassen sich einige kraftstoffsparende Features realisieren, die mit reinen 12-Volt-Systemen nicht machbar sind. Dazu zählen:
- Leistungsstarke Rekuperation mit >5 kW
- Erweiterte Start-Stopp-Funktion wie Sailing beziehungsweise Coasting
- Elektrifizierung von Aggregaten, zum Beispiel E-Turbolader, elektrische Lenkung
- Unterstützung von Mikro- und Mild-Hybridlösungen
Bild 2: Prinzipschaltbild eines Buck-Boost-Konverters. Neben den Schalttransistoren sind Epcos Leistungsinduktivitäten und Speicherkondensatoren Schlüsselkomponenten für Buck-Boost-Konverter. TDK
Bild 3a: Die kompakten Epcos Leistungsinduktivitäten sind mit Stromtragfähigkeiten von bis zu 79 A verfügbar. TDK
Die 48-Volt-Systeme sind keine Ablösung der bisherigen 12-Volt-Architekturen, vielmehr stellt dieser Ansatz eine Erweiterung der 12-Volt-Netze für leistungsstarke Verbraucher dar und ist mit einem Buck-Boost-Konverter mit diesen gekoppelt. Bild 1 zeigt das Prinzip dieser Architektur. Auf der 12-Volt-Ebene kommt zur Speicherung eine klassische Blei-Säure- oder Blei-Gel-Batterie zum Einsatz, auf der 48-Volt-Ebene eine Lithium-Ionen-Batterie. Für eine verbesserte Speicherung von elektrischer Energie bei der Rekuperation können hier auch
Bild 3b: TDK
noch Doppelschicht-Kondensatoren parallel geschaltet werden.
Effiziente Kopplung durch Buck-Boost-Konverter
Die wichtigste Systemkomponente eines kombinierten 12/48-Volt-Netzes ist der Buck-Boost-Konverter. Er ermöglicht den bidirektionalen Energiefluss zwischen den beiden Spannungsebenen und ist für Leistungen von 2 bis 5 kW ausgelegt. Bild 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines solchen Wandlers. Im Normalbetrieb arbeitet der Wandler als Tiefsetzsteller (Buck-Modus), um die auf der 48-Volt-Ebene erzeugte Leistung an das 12-Volt-System abzugeben. In dieser Betriebsart ist T2 ständig gesperrt und T1 arbeitet als Schaltregler. Der Boost-Modus ist erforderlich, wenn auf der 48-Volt-Ebene eine hohe Leistung benötigt wird. Dabei ist T1 ständig durchgeschaltet und T2 arbeitet im Pulsbetrieb. Um Ripplestrom und -spannung so gering wie möglich zu halten, werden in der Praxis Systeme mit sechs oder acht Phasen eingesetzt, die seriell durchgeschaltet werden.
Bild 4: Epcos Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren für die Automobil-Elektronik zeichnen sich durch hohe Vibrationsfestigkeit von bis zu 60 g und maximalen Betriebstemperaturen von bis zu 150 °C aus. TDK
Für die Speicher- und Glättungsdrosseln in den Wandlern hat TDK zwei neue Serien von Epcos Leistungsinduktivitäten entwickelt. Bei der Serie ERU 27 handelt es sich um Induktivitäten in SMD-Ausführung. Sie zeichnen sich durch ihre sehr kompakte Bauweise in Kombination mit hohen Stromtragfähigkeiten aus. So beträgt der Flächenbedarf nur 30 × 27,8 × mm2 (Bild 3 links). Abhängig vom Induktivitätswert liegt die Bauhöhe bei 15,5 oder 20,3 mm. Möglich wurde diese Kompaktheit durch die Verwendung eines Flachdrahtwickels, der einen hohen Füllfaktor bietet. Serienmäßig sind die Induktivitäten in sechs Ausführungen erhältlich, die ein Induktivitätsspektrum von 3,5 bis 15 µH abdecken. Die Sättigungsströme variieren dabei zwischen 19,5 und 49 A. Um die mechanische Stabilität auf der Leiterplatte zu erhöhen, verfügen die Drosseln neben den beiden Lötpads für die Wicklung über einen dritten Lötpad.
Alternativ zu den SMD-Typen können auch Typen der Serie ERU 33 in PTH-Ausführung eingesetzt werden (Bild 3 rechts). Sie bietet Nenninduktivitäten von 3,2 bis 10 µH und sind, je nach Typ, für einen Sättigungsstrom von 79 A bei einem Gleichstromwiderstand von 0,85 mΩ ausgelegt. Die Abmessungen dieser Drosseln betragen 33 × 33 × 15 mm3. Alle genannten Typen sind für Betriebstemperaturen von -40 bis +150 °C geeignet, RoHS-kompatibel und nach AEC-Q200 qualifiziert. Neben den Serientypen von ERU 27 und ERU 33 können auch kundenspezifische Varianten mit anderen Induktivitätswerten gefertigt werden.
Vibrationsfest und hohe Wechselstrombelastbarkeit
Neben den Induktivitäten sind robuste Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren zum Speichern und Glätten Schlüsselbauelemente in Buck-Boost-Konvertern. Die Epcos-Serien B41689 und B41789 (Bild 4) sind speziell für die hohen Anforderungen in der Automobil-Elektronik ausgelegt. Sie zeichnen sich durch eine sehr hohe Vibrationsfestigkeit von bis 60 g aus. In den Ausführungen mit Lötstern sowie der Bauform mit beidseitiger Kathodenplatte ergeben sich optimierte Montagebedingungen mit geringen Induktivitätswerten.
Dank der internen Mehrfach-Kontaktierung bieten diese Kondensatoren geringe ESR-Werte, wodurch die Wechselstrombelastbarkeit steigt und die Verluste sinken. So liegt die dauerhafte Wechselstrombelastbarkeit, je nach Typ, bei 125 °C Gehäusetemperatur bei bis zu 29,5 A. Die Automotive-Serien sind für Nennspannungen von 25, 40 (für 12 V) und 63 V (für 48 V) ausgelegt. Mit diesen Spannungen sind sie bei den neuen Bordnetzen in beiden Spannungsebenen einsetzbar. Von 360 bis 4500 µF erstreckt sich das Kapazitätsspektrum.
Neben den Leistungsinduktivitäten und den Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren als Schlüsselkomponenten werden für die Realisierung von Buck-Boost-Konvertern noch eine Reihe weiterer TDK-Bauelemente erforderlich.
Bild 5: Höhere Motoreffizienz durch elektrischen Turbolader. TDK
Dazu zählen MLCCs, Current Sense Transformer sowie Varistoren.
Infokasten
Neben der Elektrifizierung von konventionellen Aggregaten wie Pumpen bietet die 48-Volt-Technik auch die Möglichkeit, den Motor durch den Einsatz eines E-Turboladers effizienter zu betreiben. Konventionelle Turbolader werden durch den Abgasstrom angetrieben und ihre Leistung ist sehr stark drehzahlabhängig. Außerdem wirken sie zeitversetzt – bekannt auch als Turboloch. Dieses Manko wird durch elektrisch betriebene Lader beseitigt, da sie schnell reagieren und auch schon bei niedrigen Drehzahlen zum Beispiel im Stadtverkehr eine hohe Aufladung und damit bessere Effizienz des Motors bieten (siehe Abbildung). Ein weiterer Vorteil: Der E-Turbolader kann mit einem konventionellen Turbolader kombiniert werden um entweder den Ladedruck noch weiter zu steigern oder um den elektrischen Lader bei hoher Motordrehzahl abzuschalten.
(ah)