Neue Fahrzeugmodelle mit elektrischen Motoren sind die Leuchtturmprojekte der Automobilhersteller – insbesondere vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussionen rund um den Verbrennungs- und vor allem den Dieselmotor.

Hand in Hand mit der Politik schaffen Hersteller über Prämien gezielte Kaufanreize. Unterschiedliche Länder wollen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor teilweise bereits ab 2025 nicht mehr zulassen. Städtische Fahrverbote für Fahrzeuge mit Dieselmotor drohen der individuellen Mobilität, und es scheint nur eine Frage der Zeit, bis das elektrische Auto die einzige sinnvolle Alternative darstellt.

Eck-Daten

Für den CO2-Ausstoß von Pkws und leichten Nutzfahrzeugen gelten ab 2020 EU-weit ambitionierte Ziele. Die dafür erforderlichen Einsparungen lassen sich mit sparsamen Benzin-Fahrzeugen nicht erreichen. Nachdem die Infrastruktur für vollelektrische Fahrzeuge noch etwas hinterherhinkt, empfiehlt es sich, die Potenziale von Microhybriden  und Mildhybriden zu nutzen.

Demgegenüber steht jedoch die Tatsache, dass sich selbst mittelfristig nur in Ballungsräumen die notwendige Ladeinfrastruktur realisieren lässt, um eine größere Zahl elektrischer Autos laden zu können. Dort profitieren Anwohner wie Fahrzeugführer dann auch von der Emissionsfreiheit und leiden nicht unter der bislang verhältnismäßig geringen Reichweite der Fahrzeuge. Außerhalb der Ballungsräume und auf längeren Fahrten kann der Verbrennungsmotor dagegen immer noch seine Vorteile ausspielen.

Die WKM (Wissenschaftliche Gesellschaft für Kraftfahrzeug- und Motorentechnik) hat zu diesem Thema die folgenden drei Kernthesen verfasst:

A. Der Verbrennungsmotor war und ist Motor der Mobilität, des Güterverkehrs und der mobilen Arbeitsmaschinen. Diese Rolle wird durch elektrische Antriebe ergänzt, jedoch nicht ersetzt. Eine technologieoffene Weiterentwicklung von Antriebssystemen ist Voraussetzung für eine erfolgreiche Klimapolitik in einer prosperierenden Gesellschaft. Verbote bewirken das Gegenteil.

B. Aufgrund sehr geringer verbrennungsmotorischer Beiträge wird das Thema Emissionen und vor allem Immissionen in Zukunft kein Argument gegen den Diesel- oder Benzinmotor sein! Bereits der heutige Technologiestand stellt sicher, dass Immissionsgrenzwerte ausnahmslos eingehalten werden können. Rückblickend festgestellte Schwachstellen sind nicht mehr zukunftsrelevant. Auf Basis intensiver Forschung sind vollständig umweltneutrale verbrennungsmotorische Antriebe darstellbar.

C. Der besondere Vorteil des Verbrennungsmotors liegt in der effizienten und flexiblen Nutzung von Kraftstoffen mit hoher Energiedichte und exzellenten Lagerungs- und Verteilungsmöglichkeiten. Mit dieser grundsätzlichen Eigenschaft hat sich der Verbrennungsmotor ständig neu erfunden und ermöglicht bei Betrachtung des Gesamtsystems niedrigere CO2-Emissionen als alternative Technologien. Das Potenzial, auch nicht-fossile und damit CO2-neutrale Kraftstoffe flexibel nutzen zu können, ist ein weiterer Garant für eine langfristige, nachhaltige Zukunftstechnologie.

Microhybrid

Seit dem Jahr 2015 gilt für den durchschnittliche CO2-Ausstoß innerhalb der EU der Richtwert von 130 g/km für Pkw sowie 175 g/km für leichte Nutzfahrzeuge. Um dieses Ziel mit klassischen Verbrennungsmotoren zu erreichen, wurden in der Vergangenheit bereits verschiedene Maßnahmen getroffen, die den Motor selbst weniger Schadstoffe emittieren lassen. Dazu zählen:

  • Abgasrückführung
  • SCR-Katalysator
  • Geregelter Kühlmittelfluss
  • Hochdruckeinspritzung
  • Mehrfachzündung
  • Variabler Ventiltrieb und Zylinderabschaltung
  • Abgasturbolader

Darüber hinaus versuchten OEMs und Zulieferer, mit verschiedenen Maßnahmen den elektrischen Verbrauch der Fahrzeuge möglichst gering zu halten, um die bremsende Wirkung der Lichtmaschine zu minimieren. Hierzu zählen etwa:

  • Bedarfsgerechte Steuerung von Motoren und Pumpen
  • Elektrische Servolenkung
  • Start/Stopp-Systeme
  • LED-Außenlicht
  • Laden der Batterie nur im Schiebebetrieb
Hybrid

Bild 1: Blockschaltbild eines Kfz-Steuergerätes. Arrow

Fahrzeuge, in denen diese Vorkehrungen Anwendung finden, werden auch als Microhybrid bezeichnet. Die meisten dieser Maßnahmen basieren auf der intelligenten Steuerung von Motoren, Klappen und Ventilen. Prinzipiell sehen die Steuergeräte für diese Anwendungen wie in Bild 1 dargestellt aus.

Zum Fahrzeugnetzwerk (IVN) wird über die Kommunikationsschnittstelle CAN oder LIN mit dem Mikrocontroller des Steuergerätes kommuniziert. In Ausnahmefällen handelt es sich auch um Schnittstellen wie Flexray, SENT, PSI5 oder PWM. Die physikalische Anbindung erfolgt über einen entsprechenden Transceiver.

Den Mikrocontroller bildet bei kleinen LIN-Knoten möglicherweise nur ein 8-bit-Baustein, bei CAN-Knoten typischerweise ein 32-bit-Typ mit Autosar-Software. Die Spannungsversorgung übernimmt bei kleineren Steuergeräten ein LDO, bei größerem Strombedarf kommt ein Schaltregler zum Einsatz. Als Induktivitäten werden vergossene Metallkomposittypen (MCI) verwendet, der Kondensator ist üblicherweise ein kostengünstiger Alu-Elko oder bei Bedarf ein Hybrid-Typ.

Die Spannungsversorgung und die Interfaceleitungen müssen gegen Überspannungen geschützt werden. Hier gibt es ein großes Portfolio an passenden TVS-Dioden. Hinzu kommen Filterkomponenten, etwa die Common-mode-choke (CMC) für den CAN-Bus. Es ist jedoch auch möglich, die Spannungsversorgung in den Transceiver zu integrieren und gegebenfalls weitere Funktionalität wie Watchdog und HV-I/Os in diesen Baustein zu packen. Dann spricht man von einem System-Basis-Chip (SBC).

Wenn der Mikrocontroller ebenfalls noch integriert wird, handelt es sich um eine Embedded MCU oder ein System in Package (SIP). Diese gibt es auch mit integrierten Treibern, etwa für eine 3-Phasen-Motorbrücke. Zur Ansteuerung eines Motors sind dann lediglich MOSFETs und Sensoren wie etwa Winkelsensoren oder Hall-Switches erforderlich. Der Distributor Arrow Electronics bietet für jede Anwendung eine große Zahl an Realisierungsmöglichkeiten.

In frühen Projektphasen sind besonders die Bauteile interessant, die noch nicht öffentlich sind. Diese basieren auf aktueller Technologie und haben meist das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. In Einzelfällen und in Abstimmung mit den Herstellern sind Einblicke und die Bereitstellung möglich.

Mildhybrid

Das EU-CO2-Ziel für das Jahr 2020 beträgt 95 g/km für PKW und 147 g/km für leichte Nutzfahrzeuge und ist mit den oben beschriebenen Maßnahmen allein nicht mehr zu erreichen. Ungefähr 15 Prozent CO2-Emissionen lassen sich einsparen, wenn der Fahrer während des Schiebebetriebs und des Bremsens rekuperiert und diese Energie wieder zum Beschleunigen verwendet.

Die Verwendung einer größeren 12-V-Batterie und die eines Motors/Generators im Antrieb ist aufgrund der hohen Leistung und der daraus resultierenden hohen Ströme nicht möglich. Eine Kombination aus Hochvolt-Elektroantrieb und Verbrenner ist aus Kostensicht aufgrund des notwendigen Schutzes gegen Berührspannungen keine Option.

Das 48-V-Bordnetz stellt eine Alternative dar, um noch relativ kostengünstig die notwendigen Funktionen zu realisieren und die Fahrzeuge zu sogenannten Mildhybriden zu machen. Mit dieser Spannung lassen sich darüber hinaus auch weitere elektrische Verbraucher versorgen, die viel Energie benötigen wie:

  • Kühlerlüfter
  • Klimakompressor
  • Zusatzheizung
  • Wasserpumpe
  • Servolenkung
  • Elektrischer Turbolader
  • Aktive Radaufhängung
  • Beheizbare Scheiben
  • Innenraumheizung
  • Gurtstraffer

Ein Blockschaltbild eines 48-V-Steuergerätes unterscheidet sich zunächst nicht von dem eines Steuergeräts für 12 V in Bild 1. Jedoch ist die Auswahl der Bauteile, die direkt mit der 48-V-Batteriespannung versorgt werden können, stark eingeschränkt: Es gibt keine SiPs für diesen Spannungsbereich, sodass sie entweder mit einem Vorregler betrieben oder komplett durch diskrete Komponenten ersetzt werden müssen.

Von den Automotive-Spannungsreglern und -Motortreibern sind bis jetzt nur wenige Typen auf dem Markt verfügbar, jedoch sind einige passenden Bauteile auf den Roadmaps der Hersteller. Hier kann der Anwender mithilfe von Distributoren wie Arrow die bestmögliche Lösung finden und schon während der Projektphase die ersten Muster der entsprechenden Bausteine einsetzen, unter Umständen lange bevor man diese Typen auf den Webseiten der Hersteller finden kann.

Bei den Transceivern (betrifft hauptsächlich CAN) ist ebenfalls auf die Spannungsfestigkeit zu achten, die bei der entsprechenden Applikation gefordert ist, wobei hier nicht nur die Versorgungsspannungsfestigkeit, sondern auch die Maximalspannungen auf den CAN-Leitungen entscheidet.

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Bild 2: MOSFETs für 48-V-Bordspannung. Infineon

Die MOSFET-Auswahl für 48-V-Systeme ist relativ groß. Die Hersteller haben aktuelle Trench-Technologien für diesen Spannungsbereich. Zur Ansteuerung gibt es, abgesehen von den Motortreibern, kaum Alternativen auf dem Markt. Es befinden sich neue Bauteile in der Entwicklung, die gegebenenfalls in Absprache mit dem Hersteller und mit dem Kunden diskutiert werden können.

Eine Realisierung eines 48-V-Bordnetzes mit Motor/Generator besteht darüber hinaus aus weiteren Komponenten:

  • DC/DC-Converter 12V / 48V mit Schutz gegen Batterieverpolung
  • Batterietrennschalter und -management für 48 V Li-Ion (BMS)
  • Motoransteuerung und Generatorgleichrichter für zirka 10 kW (DC/AC)
  • Lastschalter und Motoransteuerungen für die verschiedenen Verbraucher
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Bild 3: Komponenten des 48-V-Bordnetzes. Arrow

Das Batteriemanagement benötigt unter anderem eine sehr genaue Spannungsmessung der einzelnen Zellen, sodass hierfür spezielle Bausteine eingesetzt werden. Für das Zellbalancing sind darüber hinaus weitere externe Bauteile erforderlich, die entweder die überschüssige Ladung in Hitze umwandeln (passives Balancing) oder in eine Zelle mit niedrigerem Füllgrad umladen (aktives Balancing).

Alle anderen Funktionen werden hauptsächlich durch MOSFETs in ein- oder mehrphasigen Brückenschaltungen realisiert, die mit entsprechenden Gatetreibern angesteuert werden.

Die einzelnen Funktionen im 48-V-Bordnetz müssen häufig funktionalen Sicherheitsanforderungen genügen, die in der ISO 26262 nach den Leveln ASIL A-D definiert sind. In kritischen ASIL C- oder D-Anwendungen kommen spezielle Mikrocontroller zum Einsatz, die sich mit Fail-safe SBCs oder Fail-safe DC/DC-Convertern kombinieren lassen

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Bild 4: Lockstep-Microcontroller für ASIL D-Applikationen. Infineon

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Bild 5: Failsafe-SBC. NXP

Durch dieses zusätzliche Bordnetz wird ein Teil der Fahrzeuge mit klassischem Verbrennungsmotor für die Anforderungen der Zukunft angepasst. Kleinwagen und Elektrofahrzeuge kommen künftig wohl parallel dazu ohne dieses Netz aus. Wie lange sich diese Fahrzeuge auf dem Markt halten werden, hängt dann von den gesetzlichen Vorgaben ab, die in den Jahren nach 2020 gelten werden. Hier ist der CO2-Wert nur eine Variable; entscheidend wird auch der Messzyklus sein.