Hersteller von Autos, Lkws, Bussen und Motorrädern schreiten rasch mit der Elektrifizierung ihrer Fahrzeuge voran, um den Wirkungsgrad der eingebauten Verbrennungsmotoren zu erhöhen und CO2-Emissionen zu reduzieren. Für diese Elektrifizierung gibt es mehrere Möglichkeiten, die meisten Hersteller bevorzugen aber ein Mild-Hybrid-System anstatt eines Voll-Hybrid-Leistungspfades. Beim Mild-Hybrid-System auf 48-Volt-Basis kommt eine 48-V-Batterie zusätzlich zur traditionellen 12-V- Batterie zum Einsatz.

Eckdaten

Geringerer Verbrauch, größere Reichweite und noch mehr – Mild-Hybrid-Fahrzeuge bringen einige Vorteile mit sich. Solche Systeme brauchen neben einer 12-V- auch eine 48-V-Batterie, dementsprechend sind DC/DC-Wandler nötig, um die Spannung an die unterschiedlichen Lasten anzupassen. Vicor setzt dabei auf einen dezentralisierten Ansatz, der gegenüber einer zentralisierten Variante Vorteile bietet.

Dies erhöht die Leistungsfähigkeit um den Faktor 4 (P = V • I), was für größere Lasten genutzt werden kann, wie etwa die Klimaanlage oder den Katalysator beim Start. Um die Eigenschaften des Fahrzeugs zu verbessern, kann das 48-V-System einen Hybridmotor antreiben, der für eine schnellere und weichere Beschleunigung sorgt, gleichzeitig aber Benzin spart. Die zusätzliche Leistung kann Lenkung, Bremsen sowie Federung unterstützen und neue Sicherheits-, Unterhaltungs- und Komfortsysteme ermöglichen.

Einmal eingesetzt, bietet ein Mild-Hybrid-System mit 48 V verschiedene Vorteile. Die Bedenken zu überwinden, ein seit langem bewährtes 12-V-Leistungsnetzwerk zu modifizieren, stellen dabei sicherlich die größten Hürden dar. Dies benötigt oftmals neue Technologien mit den damit verbundenen ausführlichen Testreihen sowie Hersteller, welche in der Lage sind, die Sicherheits- und Qualitätsstandards der Automobilindustrie zu erfüllen.

Wie bereits die Welt der Datencenter bei der Umstellung auf 48-V-Netze entdeckt, überwiegen die Vorteile jedoch bei Weitem die Kosten für diese Änderung. Für die Automobilindustrie eröffnet ein 48-V-Mild-Hybrid-System den Weg zur raschen Einführung von Fahrzeugen mit geringeren Emissionswerten, größeren Reichweiten und kleinerem Verbrauch. Es bietet auch Optionen für weitere sowie verbesserte Eigenschaften bei gleichzeitiger Reduzierung des CO2-Ausstoßes.

Maximierung eines 48-V-Leistungsnetzwerkes

Traditionelle, zentralisierte 12-V-Architektur

Bild 1 Traditionelle, zentralisierte 12-V-Architektur im Fahrzeug. Vicor

Eine zusätzliche 48-V-Batterie für die Versorgung großer und auf dem Chassis montierter Lasten bietet den Entwicklern neue Möglichkeiten. So lassen sich etwa Systeme hinzugefügen, die sich direkt aus dem 48-V-Netz speisen lassen sowie parallel dazu altbewährte, elektromechanische 12-V-Lasten wie Pumpen, Lüfter oder Motoren einsetzen, für die ein geregelter DC/DC-Wandler die 12-V-Versorgung aus dem 48-V-Bus erzeugt. Um diese Änderungen sowie die Risiken zu kontrollieren, führen die Automobilhersteller bei vorhandenen Mild-Hybrid-Lösungen schrittweise 48-V-Lasten ein, während weiterhin ein großer, zentraler 48 V auf 12 V Multi-Kilowatt-Wandler die Versorgung für die im Auto verteilten 12-V-Lasten bereitstellt. Diese zentralisierte Architektur nutzt weder die kompletten Vorteile eines 48-V-Netzwerkes noch die Möglichkeiten, welche neue Wandlertopologien, Kontrollsysteme sowie Gehäusebauformen bieten. Eine Vielzahl dieser zentralen DC/DC-Wandler (Bild 1) ist groß und schwer, da ältere PWM-Topologien mit niedrigen Taktfrequenzen zum Einsatz kamen. Bei einem Ausfall sind viele kritische Leistungsbereiche betroffen.

Einen unterschiedlichen Ansatz bietet eine Architektur mit dezentralisierter Versorgung (Bild 2) auf der Basis von modularen Leistungskomponenten. Hierbei kommen Abwärtswandler (48 auf 12 V) mit kleineren Leistungen zum Einsatz, welche im Fahrzeug verteilt nahe bei den 12-V-Lasten sitzen. Die einfachen Leistungsgleichungen P = V • I und PLOSS = I2R erklären, warum ein 48-V-Netz einen höheren Wirkungsgrad hat als ein 12-V-Netz.

Dezentralisierte 48V Architektur

Bild 2: Dezentralisierte 48-V-Architektur im Fahrzeug Vicor

Für eine gegebene Leistung ist der Strom bei 48 V um den Faktor 4 niedriger als bei 12 V und die Verluste reduzieren sich um den Faktor 16. Bei nur einem Viertel des Stromes können kleinere, leichtere sowie kostengünstigere Kabel und Stecker zum Einsatz kommen. Auch beim thermischen Management sowie bei der Redundanz des Leistungssystems bietet eine dezentralisierte Lösung weitere Vorteile (Bild 4).

Vorteile modularer Komponenten für eine dezentralisierte Architektur

Der in Bild 5 gezeigte modulare Ansatz für ein dezentralisiertes Netz ist in einem weiten Bereich skalierbar. Die 48-V-Spannung der Batterie wird zu den verschiedenen Lasten mit höherer Leistung im Fahrzeug geführt, wodurch die Vorteile eines 4-fach geringeren Stromes sowie der um den Faktor 16 reduzierten Verluste optimal ausgenutzt werden. Damit ergeben sich dünnere und leichtere Kabel für die Verteilung der Leistung. Je nach Leistungsaufnahme der jeweiligen Lasten, können Hersteller ein Modul gemäß den Anforderungen einer Last entwickeln und qualifizieren. Bei höherem Strombedarf lassen sich Module parallelschalten.

Das Beispiel in diesem Artikel zeigt ein 2-kW-Modul, auch hier hängen Granularität und Skalierbarkeit vom jeweiligen System ab. Durch den Einsatz von im Fahrzeug verteilten Wandlern anstatt eines großen zentralen Wandlers, lässt sich N+1-Redundanz auch zu wesentlich geringeren Kosten erreichen. Ergeben sich Änderungen im Stromverbrauch während der Entwicklungsphase des Fahrzeugs, kann dieser Ansatz ebenfalls seine Vorteile ausspielen. Anstatt Änderungen an einer von Grund auf entwickelten, kundenspezifischen Stromversorgung vorzunehmen, können Entwickler Module hinzufügen oder entfernen. Ein weiterer Vorteil sind die kürzeren Entwicklungszeiten, da das Modul bereits geprüft und qualifiziert ist

Dezentralisierte, modulare 48-V-Architektur bei höherer Batteriespannung

Standard DC-DC-Wandler mit 94 Prozent Wirkungsgrad

Bild 3: Standard DC-DC-Wandler mit 94 Prozent Wirkungsgrad bei einer zentralisierten Architektur. Vicor

Im Fall eines rein elektrischen Fahrzeugs oder bei High-Performance-Hybridfahrzeugen, werden Hochspannungsbatterien eingesetzt, um die vom Antriebstrang und anderen Verbrauchern geforderten Leistungen liefern zu können. Ein 48-SELV-Leistungssystem bietet dabei weiterhin viele Vorteile für die Hersteller, allerdings stellt sich die Herausforderung, 800 V bzw. 400 V auf 48 V herabzusetzen.

Dieser DC/DC Hochleistungswandler muss isoliert, aber nicht geregelt sein. Eine bessere Regelung ist ein weiterer Vorteil einer dezentralisierten Platzierung der Abwärtswandler (48 auf 12 V). Durch den Einsatz von PoL-Wandlern, lässt sich für den vorgeschalteten Hochleistungswandler eine Topologie mit festem Übertragungsverhältnis verwenden. Dies bringt erhebliche Vorteile durch den großen Übersetzungsfaktor von 16:1 für 800 V auf 48 V bzw. 8:1 für 400 V auf 48 V (Bild 6). Hierfür einen geregelten Wandler einzusetzen wäre nicht besonders effizient und würde auch ein großes Problem beim thermischen Management bereiten.

Wegen der Sicherheitsanforderung eines 400-V- oder 800-V-Netzes wäre es ziemlich schwierig, diesen isolierten Hochspannungswandler zu dezentralisieren. Ein zentraler Hochleistungswandler mit festem Übersetzungsverhältnis statt eines klassischen Silver-Box-DC/DC-Wandlers lässt sich aber auf der Basis von Powermodulen entwickeln. Produkte mit der notwendigen Granularität und Skalierbarkeit lassen sich entwickeln und können dann einfach parallelgeschaltet werden, um die Anforderungen in den verschiedenen Fahrzeugen mit unterschiedlichen Leistungspfaden sowie jeweils im Fahrzeug verbauten Verbraucher zu erfüllen. Die Bus Converter Module (BCM) mit festem Übersetzungsverhältnis von Vicor sind bidirektional und ermöglichen daher auch verschiedene Varianten zur Rückgewinnung von Energie. Auf Basis der Sine Amplitude Converter (SAC) Topologie mit hohen Taktfrequenzen erzielen die BCMs Wirkungsgrade von über 98 Prozent. Die Leistungsdichte liegt bei 2,6 kW/in³, was zu einer deutlichen Reduzierung der Baugröße des zentralen Hochspannungswandlers führt.

Bild 4: Vicor DC-DC-Wandler mit 98 Prozent Wirkungsgrad an den vier Antrieben des Fahrzeugs.

Bild 4: Vicor DC-DC-Wandler mit 98 Prozent Wirkungsgrad an den vier Antrieben des Fahrzeugs. Vicor

Vicor ist ein Hersteller für den Automotive-Markt und liefert dafür 48-V-Lösungen. Ein dezentralisierter, modularer Ansatz für die Architektur von Leistungspfaden im Automotive-Bereich vereinfacht die oftmals komplexen Anforderungen bei der Versorgung der Lasten. Gleichzeitig lassen sich Performance sowie Produktivität verbessern, wodurch sich eine schnellere Marktreife erzielen lässt. Vicor erweitert sein Angebot im Bereich der 48-V-Leistungsumwandlung ständig durch Entwicklungen in den Bereichen Aufbau von Architekturen, Topologien, Kontrollfunktionen sowie Gehäusebauformen. Der Hersteller von Wandlerlösungen bietet speziell für den Automobilbereich verschiedene Lösungen in SMT-Bauweise mit unterschiedlichen technischen Eigenschaften an. Es gibt die Wandler als regulierte als auch als Fixed-Ratio-Variante mit Varianten von 800 V auf 48 V, 400 V auf 48 V, 48 V auf 12 V sowie 12 V auf 48 V. Mit dem DCM3717 können Entwickler in der Automobilbranche beispielsweise eine leistungsstarke 48-V-Stromversorgung für ältere 12-V-Lasten implementieren und gleichzeitig erhebliche Vorteile hinsichtlich Größe, Gewicht und Effizienz des Stromversorgungssystems erzielen. Der DCM3717 arbeitet mit einem 40 – 60 V SELV-Eingang, ist nicht isoliert und liefert einen geregelten Ausgang zwischen 10,0 – 13,5 V, eine Dauerleistung von 750 W und einen Spitzenwirkungsgrad von 97 Prozent in einem 37 × 17 × 7,4 mm³ großen SMD-Gehäuse. Weiterhin unterstützt er die LV148-Spezifikation (48-V-Automobilstandard) für reine Elektro- und Hybridfahrzeuge. Anwendungen, die keine Regelung der 12-V-Versorgung erfordern, können die Vorteile von Vicors NBM2317 nutzen. Dabei handelt es sich um einen 800-W-Wandler, der im festen Verhältnis von 48 V auf 12 V wandelt und in einem 23 × 17 × 7,4 mm³ großen SM-Chip mit 69 Prozent höherer Leistungsdichte und einem Wirkungsgrad von 97,9 Prozent erhältlich ist.

Ein modular Ansatz für ein vollständig elektrisches Fahrzeug

Bild 6: Ein modular Ansatz für ein vollständig elektrisches Fahrzeug. Vicor

Ein modularer Ansatz für ein Hybridfahrzeug

Bild 5: Ein modularer Ansatz für ein Hybridfahrzeug. Vicor