Autobauer gehen auf 48-V- Mild-Hybrid-Systeme über

Autor / Redakteur: Edward Kohler * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Das 48-Volt-Bordnetz zieht in immer mehr Fahrzeuge ein und Kfz-Hersteller bringen nun auch vermehrt 48-Volt-Hybride auf den Markt. Schlüsselbaustein ist ein bidirektionaler 12-V/48-V-DC/DC-Wandler.

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Bild 3: Die Kernelemente eines 48-V-Systems sind der 48-V-Akku, ein 48-V-Startergenerator sowie ein 12-48-V-DC/DC-Wandler.
Bild 3: Die Kernelemente eines 48-V-Systems sind der 48-V-Akku, ein 48-V-Startergenerator sowie ein 12-48-V-DC/DC-Wandler.
(Bild: Intersil)

Die Kraftfahrzeughersteller haben überall auf der Welt mit der Markteinführung von Fahrzeugen mit einem neuen 48-Volt-Subsystem begonnen. Die ersten Verlautbarungen entstammten europäischen OEMs, beispielsweise Audi, die bei ihrem Modell SQ7 TDI ein 48-V-System angekündigt haben. Das Audi 48-V-System speist einen elektrischen Kompressor, der das Turboloch vermeidet, sowie eine elektromechanische aktive Rollstabilisierung, welche sowohl die Fahrt als auch die Bedienung verbessert.

Die 48-V-Initiative ist mittlerweile global geworden. Chinesische OEMs einschließlich Geely und die FAW Group gaben bekannt, dass sie in den kommenden Jahren 48-V-Mild-Hybride auf den Markt bringen, und der italienisch-amerikanische Autobauer Fiat Chrysler ließ Ähnliches verlauten. Außerdem haben die koreanischen OEMs Hyundai und SsangYong 48-V-Mild-Hybride vorgestellt.

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Gesetzgebung treibt Markteinführung von Mild-Hybriden

48-V-Subsysteme führen unbestritten zu erhöhten Fahrzeugkosten, doch beweist ihre breite Akzeptanz, dass die Automobilhersteller sie als geeignetes Mittel anerkennen, um geringere CO2-Emissionen, eine verbesserte Kraftstoffeffizienz sowie ein verbessertes Fahrverhalten zu erreichen. Gesetzliche Anforderungen an den CO2-Ausstoß sowie die Treibstoffeffizienz sind die treibenden Kräfte für den Einsatz von 48-V-Mild-Hybrid-Systemen.

Die Strafen für OEMs, die diesen gesetzlich vorgegebenen Zielen nicht entsprechen, sind hoch. Bild 1 zeigt die weltweit verordneten Grenzwerte der CO2-Emission. In den USA, Europa, China und Korea werden die Autohersteller in ihren Flotten im Laufe der nächsten zehn Jahre eine Senkung des Kohlenstoffdioxid-Ausstoßes um 22% bis 36% erzielen müssen, um der derzeitig gültigen Gesetzgebung zu entsprechen.

In Bild 2 sind die Zielsetzungen bei der Kraftstoffeffizienz dargestellt. Um diesen Vorgaben zu genügen, müssen die Kfz-Hersteller diesen Wert, ebenfalls im erwähnten 10-Jahres-Zeitraum, um 24% bis 49% verbessern. Während die Vorschriften immer strenger werden, entstand gleichzeitig zusätzlich der weltweite Trend, die Testzyklen so anzupassen, dass sie die Fahrbedingungen der realen Welt repräsentativer nachbilden. Mit besseren Testmethoden steht zu erwarten, dass es für die Autohersteller sogar noch schwieriger wird, die festgelegten Zielwerte einzuhalten.

Angesichts der immer strengeren Regulierungen und höheren Strafen für deren Nichteinhaltung sind die Fahrzeughersteller höchst motiviert, Technologien zu entwickeln, die ihnen bei der Senkung des CO2-Ausstoßes und bei einer Verbesserung der Kraftstoffeffizienz helfen. Daher überrascht es nicht, dass sie rasch 48-V-Mild-Hybride einsetzen, weil diese die Emissionen in Kleinfahrzeugen um 10% bis 15% und in größeren Modellen um 15% bis 20% reduzieren, und das bei verhältnismäßig geringen zusätzlichen Kosten.

Die Kernelemente eines 48-V-Systems

Das 48-V-System besteht in Allgemeinen aus mehreren Kernelementen, wie in Bild 3 gezeigt. Da gibt es eine 48-V-Batterie, einen 48-V-Startergenerator sowie einen 12-48-V-DC/DC-Wandler. Normalerweise sorgt eine 48-V-Lithium-Ionen-Batterie für die Energiespeicherung in diesem Bordnetz.

Li-Ion ist wegen ihres hohen Verhältnisses von gespeicherter Energie zu Gewicht (Energiedichte) und wegen ihrer Fähigkeit, Energie rasch aufzunehmen und dadurch effiziente regenerative Bremssysteme zu ermöglichen, die Batterietechnologie der Wahl. Der 48-V-Startergenerator ersetzt sowohl die 12-V-Lichtmaschine als auch den 12-V-Anlasser. Er startet den Motor und wirkt dann als Dynamo, der die Drehenergie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie übersetzt.

Während Bremsvorgängen bringt die kinetische Energie den Dynamo zum Rotieren und erzeugt typischerweise eine Leistung von 12 bis 15 kW, wenn das Fahrzeug langsamer wird. Je nachdem, wie der Startergenerator in den Antriebsstrang integriert ist, kann er während Beschleunigungsphasen die Verstärkung oder das Drehmoment unterstützen. Und schließlich wird ein bidirektionaler 12-V/48-V-DC/DC-Wandler dazu verwendet, das vorhandene 12-V-Bordnetz mit dem neuen 48-V-Bordnetz zu verbinden.

Der 12-V/48-V-DC/DC-Wandler liefert im Allgemeinen eine Leistung von bis 3,5 kW vom 48-V-System an das 12-V-Netz zur Versorgung vorhandener Fahrzeugelektronik. In manchen Situationen muss auch das 12-V-Bordnetz die 48-V-Elektronik über den 12-V/48-V-DC/DC-Wandler versorgen und benötigt aus diesem Grund eine bidirektionale Leistungsübertragung. Über diese drei Elemente hinaus, welche die 48-V-Subsysteme gemeinsam haben, zählen zu anderen Komponenten, die hinzugefügt werden können, ein elektrischer Kompressor, eine elektromechanische Roll-Stabilisierung sowie unterschiedliche Motoren, die Funktionen wie Wasserpumpen oder Kühlventilatoren unterstützen.

Weniger Emissionen, höhere Kraftstoffeffizienz

Wie oben erwähnt, liegt einer der Hauptvorteile, welche die Kfz-Hersteller durch das zusätzliche 48-V-Bordnetz erreichen können, in der Reduzierung des CO2-Ausstoßes sowie in der verbesserten Kraftstoffeffizienz. Zu weiteren Faktoren zählen der 48-V-Startergenerator, der das Start-/Stopp-System gegenüber der standardmäßigen 12-V-Implementierung wesentlich verbessert. Der 48-V-Anlasser senkt die Startzeit des Motors auf nur noch einige hundert Millisekunden im Vergleich zu den 1 bis 2 Sekunden im bisherigen 12-V-System.

Damit kann der Motor bereits in solchen Fällen stoppen, in denen dieser bei einem 12-V-Start-Stopp-System wegen der Notwendigkeit einer schnellen Beschleunigung oder eines sofortigen Neustarts hätte weiterlaufen müssen. Infolge der zusätzlichen Kapazität der 48-V-Batterie kann der Motor über einen längeren Zeitraum ausgeschaltet bleiben und dennoch Funktionen wie die Klimaregelung und Infotainment weiterlaufen.

Außerdem kann der 48-V-Anlasser die Verstärkung oder das Drehmoment unterstützen, wodurch die Belastung des Verbrennungsmotors reduziert und so die Effizienz bei einer Beschleunigung verbessert werden. Die 12 bis 15 kW Leistung des Startergenerators können mehr kinetische Energie des Fahrzeugs während des Bremsvorgangs aufnehmen, als dies bei einem typischen 2-kW-Anlasser möglich ist, und die Li-Ion-Batterie eignet sich besser dazu, die wiedergewonnene Energie schnell zu speichern und so die Effektivität des regenerativen Bremsens wesentlich zu verbessern.

Downsizing des Motors ver­bessert das Fahrverhalten

Die Autobauer stellen eine weitere signifikante Verbesserung fest, ohne dass das Fahrverhalten des Fahrzeugs beeinträchtigt wird, wenn sie den Verbrennungsmotor verkleinern und einen 48-V-Turbolader hinzufügen, der für eine zusätzliche Leistungsverstärkung und damit bessere Beschleunigung sorgt. Auch Standardfahrzeuge mit 12-V-Turboladern verbessern mit einem Downsizing des Motors die Effizienz, doch das mit einem mechanisch angetriebenen System und dem Fehlen von verfügbarem Schub bei geringer Motordrehzahl verbundene Turboloch führt zu einem alles andere als zufriedenstellenden Fahrerlebnis.

Der Einsatz eines 48-V-Turboladers gewährleistet einen nahezu sofortigen Schub bei jeder Motordrehzahl und unterbindet so die negativen Auswirkungen auf das Fahrverhalten. Und aus der Gewichtsreduzierung, wenn 12-V-Systeme in 48 V umgewandelt werden, ergeben sich weitere Vorteile. Im Allgemeinen kann der Kabelbaum zur Energieversorgung eine 4-fache Reduzierung des zur Versorgung derselben Leistung erforderlichen Stroms erzielen, und Motoren, die mit 48 V laufen, sind beträchtlich leichter als die mit 12 V.

Es gibt zwar geringfügige negative Auswirkungen infolge des zusätzlichen Gewichts der neuen 48-V-Systeme (wenn sie kein bereits vorhandenes 12-V-Gerät ersetzen), jedoch vermindern diese die insgesamt erzielten Verbesserungen in keiner Weise.

Während das 48-V-System den Kohlenstoffdioxid-Ausstoß senkt und die Kraftstoffeffizienz verbessert, bauen die Automobilhersteller zudem darauf, dass die Endverbraucher den Wert des durch dieses System gebotenen verbesserten Fahrverhaltens schätzen. Audi hat nachgewiesen, dass beim Einsatz eines elektrischen 48-V-Kompressors die Beschleunigung gesteigert werden kann. Der elektrische Kompressor dreht sich mit bis zu 70.000 min-1 in 250 ms und bietet auf diese Weise selbst bei niedriger Motordrehzahl nahezu unmittelbar einen Drehmomentschub.

Mit einem 48-V-Startergenerator startet der Motor in kürzerer Zeit und mit weniger Vibration als mit einem herkömmlichen 12-V-Anlasser. Ein Start-/Stopp-System, das 48 V verwendet, wirkt außerdem der Auffassung entgegen, dass diese Systeme verunsichern und es dem Fahrer nicht erlauben, in Sekundenbruchteilen die notwendigen Entscheidungen zu treffen, beispielsweise beim Einfädeln in einen Hochgeschwindigkeits-Verkehrsfluss.

Bidirektionaler DC/DC-Controller ermöglicht 12-V-/48-V-Systeme

Das einzige zusätzlich erforderliche Bauelement für ein 12-V-/48-V-Stromversorgungssystem ist ein bidirektionaler DC/DC-Wandler mit verhältnismäßig hoher Leistung, bis zu 3,5 kW (wie in Bild 4 dargestellt), der als Brückenglied zwischen den 48-V- und den 12-V-Systemen dient. In der Vergangenheit wurden DC/DC-Wandler für den Betrieb in lediglich einer Richtung entwickelt, und sie waren auf einige wenige Hundert Watt oder weniger begrenzt, was eine Herausforderung war. Zum Glück wurde der neue Controller von Intersil so entwickelt, dass er eine bidirektionale Umwandlung zwischen den12- und 48-V-Bordnetzen bietet und zur Leistungsversorgung von unter 1 kW bis zu über 3,5 kW skalierbar ist.

Der ISL78226 ist ein bidirektionaler synchroner 6-Phasen-12-V-/48-V-PWM-Controller, der entwickelt wurde, um die mit der Implementierung einer bidirektionalen Hochleistungsbrücke zwischen den 12-V- und den 48-V-Versorgungssystemen verbundenen Probleme zu lösen. Zur Unterstützung dieser neuen Anforderung mussten die Automotive-Tier-1s anfänglich ein System aus vorhandenen Bausteinen bauen, die für andere Anwendungen vorgesehen waren. Eine Möglichkeit war der Einsatz eines DSPs zur Implementierung von digitalen Leistungsalgorithmen, die zur Ansteuerung einer Mehrphasen-Halbbrücken-Leistungswandlerstufe Verwendung finden konnten.

Dieser Lösungsansatz war zwar flexibel, er setzte jedoch eine tiefgreifende Kenntnis der Steuerungstheorie voraus und war mit einer eingehenden Langzeit-Unterstützung der Firmware verbunden. Eine andere Herangehensweise war die Kombination von zwei unidirektionalen Controllern mit Multiplexern und einem Mikrocontroller zur Aktivierung der entsprechenden Pfade. Diese Methode benötigte redundante Bauelemente, was zu einer großen und komplexen Lösung führte.

Beim ISL78226 handelt es sich um einen einzigen Analog-Controller, der die bidirektionale DC/DC-Leistungsumwandlung durchführt und die Nachteile alternativer Methoden vermeidet. Er kann bis zu sechs Phasen steuern und die Anzahl aktiver Phasen automatisch ändern, um die vom Ausgang geforderte Last anzupassen, wodurch die Effizienz der DC/DC-Wandlung auf ein Höchstmaß gesteigert wird. Eine einzige integrierte Schaltung unterstützt normalerweise eine Leistungsumwandlung bis zu 3,75 kW, doch lassen sich mehrere ISL78226.ICs kombinieren, um in Systemen mit höherer Leistung mehr Phasen zu managen.

Beim parallelen Einsatz zur Durchführung von Umwandlungen höherer Leistung koordinieren die ICs den Stromabgleich und die Reaktionszeit auf Fehler von Phase zu Phase. Der Controller regelt die Ausgangsspannung (entweder 12 V im Abwärtsregel- oder 48 V im Verstärker-Betrieb), und er enthält eine einfache Track-Schnittstelle, mit deren Hilfe die Ausgangsspannung über ein digitales PWM-Signal oder eine analoge Referenz eingestellt werden kann. Und während diese die Ausgangsspannung regelt, gleicht der Baustein aktiv den in jeder Phase der Leistungsstufe fließenden durchschnittlichen Strom ab.

Das trägt zum Ausgleich von Verlusten bei und verhindert die Entwicklung von Hot-Spots in einer der Phasen, die sonst auftreten könnten, wenn Komponenten wie zum Beispiel Induktoren nicht richtig abgeglichen sind.

Darüber hinaus regelt der ISL78226 den maximalen Durchschnittsstrom zur Begrenzung der in beide Richtungen übertragenen Leistung. Das schützt sowohl den DC/DC-Wandler als auch das gesamte Stromversorgungsnetz des Fahrzeugs. Zudem ermöglicht es eine konstante Stromladung in Anwendungen, in denen entweder die 12-V- oder die 48-V-Batterie direkt mit dem Ausgang verbunden ist.

Der Controller enthält eine digitale PMBus-Schnittstelle, die für die Systemsteuerung und Diagnose sorgt. Sie macht es möglich, dass funktionale Sicherheitsziele mit ausreichender Fehlerabdeckung erreicht werden. Und sie versetzt außerdem das System in die Lage, vorbeugende Maßnahmen zu treffen, wenn die Bedingungen Warnschwellen überschreiten, und beim Auftreten eines ernsthaften Fehlers oder Ausfalls kann der Controller so konfiguriert werden, dass das Fahrzeug im Notbetrieb weiterfahren kann.

Schlussbetrachtung

Automotive-OEMs nehmen das 48-V-Versorgungs-Subsystem in vollem Umfang an und haben ihre Absicht bekundet, sie bei neuen, derzeit entstehenden Modellentwicklungen einzusetzen. Zahlreiche Autobauer haben bereits öffentlich 48-V-Mild-Hybrid-Fahrzeuge angekündigt.

Der Anstoß, einen weiteren Energieversorgungs-Bus hinzuzufügen, liegt in der Verbesserung der Kraftstoffeffizienz sowie einer Senkung der CO2-Emissionen durch milde Hybridisierung, während gleichzeitig das Fahrverhalten des Fahrzeugs verbessert wird. Das 48-V-Bordnetz erreicht sämtliche Ziele der Automobilhersteller zu Kosten, die mehr Potenzial besitzen, eine breiten Einsatz zu erreichen als bei einer Voll-Hybridisierung.

* Edward Kohle ist Strategic Marketing Manager für Automotive Power Management-Produkte der Intersil Corporation.

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