Herausforderungen des 48-Volt-Bordnetzes

Mehr Spannung, mehr Aufwand

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Das 48-Volt-Bordnetz könnte nach den gleichen Prinzipien wie das 12-Volt-Bordnetz funktionieren, da es ebenfalls unter der Hochvolt-Grenze von 60 Volt liegt. Aber die 12-Volt-Komponenten nur auf 48 Volt zu ertüchtigen, reicht nicht aus.

Hartmut Hammer, freier Mitarbeiter der KEM Konstruktion

Ein 48-Volt-Bordnetz stellt viele andere oder neue Anforderungen. Etwa hohe Leistungen von bis zu 15 kW sowie extremere NVH-Einflüsse, hervorgerufen unter anderem durch Downsizing-Verbrennungsmotoren in Mildhybridantrieben. Besonders virulent sind Lichtbögen, die im 12-Volt-Bordnetz wegen der geringen Spannung und Ströme gar nicht auftreten. Ein Lichtbogen kann im 48-Volt-Bordnetz bei Leitungsbrüchen oder beim Schalten unter Last oder bei Kurzschlüssen durch beschädigte Isolation entstehen und die Materialien in seiner Umgebung schädigen – bis hin zur Brandgefahr.

Da trotz eines Stroms von mindestens 5 A beim Lichtbogen nur ein relativ kleiner Energiepuls auftritt, lösen die herkömmlichen Schmelzsicherungen nicht aus. Die Leoni AG aus Nürnberg hat deshalb eine Lichtbogendetektion entwickelt, die auf einer vergleichenden Spannungsmessung basiert. Sobald über den Lichtbogen die Spannung abfällt – das können durchaus bis zu 20 V sein , werden Gegenmaßnahmen eingeleitet, etwa im Batterie-Trennrelais. Delphi löst diese Herausforderung etwas anders und beobachtet die Spannungsfrequenzen in den Leitungen. Beim Entstehen eines Lichtbogens entwickeln sich bestimmte Frequenzen, die Spannungssensoren und Softwarealgorithmen von den üblichen Spannungsverläufen unterscheiden können.

Intelligenz gefragt

Bei Relais ist der Schaltvorgang im 48-Volt-Netz etwas diffiziler, damit kein Lichtbogen entsteht. Eine Lösung ist die Hintereinanderschaltung von Schaltstrecken und damit die Aufteilung des Bogens in mehrere Abschnitte. Hierbei muss der Kontaktabstand der Einzelstrecke nur wenig größer als im 12-Volt-Bordnetz ausgelegt werden, um das Lichtbogen-Phänomen zu vermeiden. Für größere Störungen, etwa einen Fahrzeugcrash, entwickeln Zulieferer den aus dem 12-Volt-Bordnetz bekannten pyrotechnischen Schalter für die neue Spannungslage weiter. Er trennt das 48-Volt-Bordnetz im Notfall von der Spannungsversorgung.

Eine noch intelligentere Form des Leistungsmanagements entwickelt Leoni mit dem Elektronischen Leistungsverteiler (EPDC=Electronic power distribution center). Er soll in der Lage sein, Kurzschlüsse, Überströme, parallele und serielle Lichtbögen sicher zu erkennen und nur den betroffenen Leistungspfad selektiv abzuschalten.

Doppelt spannend

In einem kombinierten 12/48-Volt-Bordnetz empfiehlt sich zwischen den beiden Spannungsebenen ein bidirektionaler DC/DC-Wandler, da Lithium-Ionen-Batterien nicht kaltstartfähig sind. Deshalb ist eine Fremdstarthilfe in Form einer kleinen Starterbatterie im 12-Volt-Bordnetz praktisch obligatorisch. Für den Energietransport vom 12- zum 48-Volt-Bordnetz dürfte laut Delphi eine Konverterleistung von einem Kilowatt ausreichen, in die andere Richtung sind etwa drei Kilowatt angebracht.

Die zwei Spannungsnetze sind auch in Hinsicht auf das automatisierte und autonome Fahren von Bedeutung, das ein hochverfügbares und ausfallsicheres Energiebordnetz erfordert. In Kombination mit einem geeigneten Energieversorgungskonzept könnten die beiden 12- und 48-Volt-Spannungsebenen künftig für diese Aufgaben herangezogen werden.

Gutes wird übernommen

Bei den Leitermaterialien des 48-Volt-Bornetzes wird Aluminium zunächst außen vor bleiben. Die OEM und großen Bordnetzlieferanten setzen auf die bewährten feindrahtigen Kupferkabel, um zumindest in der Einführungsphase von 48-Volt-Teilbordnetzen mit bekannter Technik die Risiken zu minimieren. Denn Aluminium ist spröder und bruchanfälliger und wird somit die Gefahr und die Intensität von seriellen Lichtbögen tendenziell erhöhen. Auch das Korrosionsverhalten ist kritischer zu sehen.

Um entlang der Versorgungspfade die Elektrolysegefahr in den Leitungen zu begrenzen, setzen Leoni und TE bei den Kontaktierungssystemen auf Einzelkammertrennung. Die Steckverbinder sollten vollständig voneinander getrennte Kontakte für die Versorgung und die Masse aufweisen, um Elektrolyseprozesse zwischen Anode und Kathode bei Eindringen von Wasser zu vermeiden.

Im Portfolio von TE Connectivity erfüllen die meisten 12-Volt-Steckverbinder auch die Spezifikationen für 48-Volt-Bordnetze, da sie ausreichend große Luft- und Kriechstrecken zwischen den einzelnen leitenden Pins aufweisen. Diese Distanz muss bei Steckverbindern für 48-Volt-Bordnetze abhängig von der Meereshöhe, dem Verschmutzungsgrad und dem Isolationsmaterial mindestens 0,3 mm für die Luftstrecke und 1,2 mm für Kriechstrecke betragen. Lediglich einige miniaturisierte 12-Volt-Steckverbinder sind für ausreichend Luft- und Kriechstrecken bei 48-Volt-Spannungslage schlichtweg zu klein.

Schutz, wo nötig

Bei den Isolierungen der 48-Volt-Kabel reichen die üblichen silikonbasierten Werkstoffe aus, es können aber je nach Einsatzgebiet und Investitionsbereitschaft der OEM noch widerstandsfähigere Isolierungen eingesetzt werden. Ergänzend bieten etwa Leoni und Delphi für besonders hoch belastete Stellen zusätzliche Schutzschläuche an. Diese Idee hat sich schon bei Hochvolt-Bordnetzen durchgesetzt und wird „top down“ auch im 48-Volt-Bordnetz durch hoch abrieb- und temperaturfeste Materialien wie Kevlar oder Aramid eine höhere mechanische Stabilität bieten.

Bei der Verlegung im Fahrzeug wollen die Zulieferer unisono zunächst auf Nummer sicher gehen und Risiken vermeiden. So kann durch eine räumliche Trennung von 12-Volt- und 48-Volt-Massepunkten und durch eine separate Verlegung der Leitungsstränge das Kurzschlussrisiko – etwa im Crashfall – zwischen den Spannungsebenen minimiert werden. Längerfristig werden die beiden Teilbordnetze nach Prognose der Zulieferer aufgrund der erweiterten Funktionalität der 48-Volt-Ebene sukzessive zusammenwachsen.

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