Automotive Electronics Batteriemanagementsystem für das neue 48-V-Automobil-Bordnetz

Wenn ein 12-V- und ein 48-V-Bordnetz gemeinsam die Stromversorgung im Auto übernehmen sollen, sind zur Energieverteilung geeignete Power-Mangement-Systeme gefragt

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Die Bordnetze aktueller PKWs werden von einer 12-V-Batterie mit zugehörigem Batteriemanagementsystem (BMS) gespeist. Solche 12-V-Bordnetze geraten jedoch immer öfter an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Dafür sind insbesondere zwei Entwicklungen verantwortlich:

- Die Europäische Union hat die Grenzwerte für den CO₂-Ausstoß von PKWs und leichten Nutzfahrzeugen verschärft. Ab dem Jahr 2020 gilt ein Emissionsgrenzwert von 95 g CO₂/km über die gesamte Fahrzeugflotte eines Herstellers hinweg. Dieses Ziel ist nur durch den vermehrten Einsatz von Elektroantrieben – zumindest bei einem Teil der Flotte – erreichbar.

- Die Verbraucher wünschen sich immer mehr Komfortfunktionen im Auto wie Klimaanlagen, hochentwickelte Sicherheitssysteme (Antiblockiersysteme, Antischlupfregelung usw.), Navigationssysteme, Car-Entertainment, beheizte Sitze etc.

Diese beiden Faktoren treiben den elektrischen Leistungsbedarf von Autos auf Werte von über 3 kW – das ist etwa das Maximum dessen, was ein herkömmliches 12-V-Bordnetz hergibt. Das Ergebnis: Die Batterie geht schnell kaputt, und der Autobesitzer ist verärgert. Jetzt wurden zwei drastische Änderungen am Automobil-Bordnetz vorgeschlagen, die dieses Problem beheben sollen. Erstens beabsichtigen einige Autohersteller die Einführung eines 48-V-Bordnetzes. Ein solches Hochspannungsbordnetz ermöglicht es, bei gleichbleibenden oder sogar geringeren Kabeldurchmessern höhere Lasten (bis 10 kW) zu speisen. Zweitens soll die altehrwürdige Blei-Säure-Batterie durch einen Lithium-Ionen-Akku (vorzugsweise LiFePO₄ oder LiTi₂O₃) abgelöst werden, die eine größere Anzahl von Lade-/Entladezyklen erlauben und dadurch länger leben.

Das 48-V-Bordnetz ermöglicht neue Anwendungen im Auto

Dies wird die Einführung völlig neuer Anwendungen im Automobil ermöglichen – zusätzlich zu denen, die heute das 12-V-Bordnetz an seine Grenzen bringen. Hier einige Beispiele:

• Elektrischer Turbo zur Unterstützung des Verbrennungsmotors,

• Mild-Hybrid-Lösungen mit Bremsenergie-Rückgewinnung, die in einer Domäne mit berührungssicherer Spannung arbeiten,

• riemenlose Verbrennungsmotoren.

Dieses neue System erfordert jedoch drastische Änderungen an der elektrischen Topologie eines Automobils. Die neuen 48-V-Systeme werden „Seite an Seite“ mit dem herkömmlichen 12-V-System arbeiten; das 48-V-Bordnetz wird nur diejenigen Funktionen versorgen, die die erhöhte Leistung benötigen – die übrigen Funktionen werden auch weiterhin vom 12-V-Netz gespeist. Ein DC/DC-Wandler wird die Energie zwischen den beiden Spannungsdomänen verteilen.

Das neue 48-V-System könnte auch Änderungen an Kommunikationssystemen wie dem weit verbreiteten CAN-(Controller Area Network)Bus erforderlich machen. Und nicht zuletzt benötigen die neuen, für höhere Leistungen ausgelegten Lithium-Ionen-Akkus ein wesentlich ausgeklügelteres Batteriemanagement- und Diagnosesystem als eine simple Blei-Säure-Batterie.

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