Architekturvergleich Hochvolt-Bordnetze und die Rolle von DC/DC-Wandlern

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Vicor Europe

RECOM Power GmbH

Elektrofahrzeuge verändern die Architektur der Bordnetze grundlegend. Wo beim Verbrennungsmotor eine Lichtmaschine die 12-Volt-Versorgung stabilisierte, übernimmt heute die Hochvoltbatterie die Rolle der zentralen Energiequelle.

Typische Nennspannungen bei Bordnetzen liegen bei 400 oder 800 Volt. Für viele Systeme ist diese Spannung jedoch nicht nutzbar. Steuergeräte, Sensorik, Infotainment und sicherheitsrelevante Systeme wie Steer-by-Wire benötigen nach wie vor 12 oder 48 Volt. Hier wird normalerweise ein Niedervolt-Bordnetz mit eigener Batterie genutzt. Die Alternative sind DC/DC-Wandler. Sie bilden das Bindeglied zwischen Hochvolt-Batterie und Niedervolt-Boardnetz.

Die Grundaufgabe eines solchen Wandlers klingt simpel. Er reduziert die hohe Spannung des HV-Bordnetzes auf ein für die Verbraucher nutzbares Niveau. In der Praxis muss er jedoch weit mehr leisten. Er muss Spannungsschwankungen auf der Eingangsseite ausgleichen, Lastsprünge stabil abfangen, galvanische Trennung sicherstellen und eine hohe Effizienz über einen großen Betriebsbereich gewährleisten. Gleichzeitig steht er unter dem Diktat der Zuverlässigkeit: Fällt die HV-Batterie aus oder bricht die Umwandlungsstufe zusammen, existiert im Elektrofahrzeug keine Lichtmaschine mehr, die die Versorgung der sicherheitskritischen Systeme aufrechterhalten könnte.

Feste Übersetzungsverhältnisse oder geregelte Wandler?

Die Industrie verfolgt bei der Entwicklung von HV-zu-LV-Wandlern verschiedene Konzepte. Hersteller wie Vicor setzen auf Module mit festem Übersetzungsverhältnis. Diese Bausteine wandeln die Hochspannung beispielsweise direkt auf 48 Volt herunter und zeichnen sich durch eine extrem hohe Leistungsdichte und Effizienz aus. Da sie auf komplexe Regelkreise verzichten, arbeiten sie besonders verlustarm und lassen sich sehr kompakt integrieren. Das macht sie attraktiv, wenn es vor allem auf Energieeffizienz und Bauraum ankommt. Der Nachteil dieses Ansatzes liegt in der Natur der Architektur: Die Ausgangsspannung ist nicht stabilisiert, sondern folgt – im festen Verhältnis – den Schwankungen der Eingangsspannung. Sinkt also die Batteriespannung ab, fällt auch die Niedervoltversorgung des Bordnetzes entsprechend. Normalerweise ist das für die LV-Verbraucher kein Problem, da auch eine 12-V-Batterie Schwankungen hat, allerdings wäre bei einem Abtrennen von Segmenten mit defekten Zellen der Spannungsbereich möglicherweise unterschritten.

Demgegenüber stehen geregelte DC/DC-Wandler, wie sie etwa andere Automobilzulieferer anbieten. Diese Geräte passen die Ausgangsspannung aktiv an und halten sie unabhängig von Eingangsänderungen auf einem definierten Wert. Der Vorteil liegt auf der Hand: Verbraucher wie Lenkaktuatoren oder Bremssteuerungen erhalten eine konstante Versorgungsspannung, selbst wenn die HV-Batterie unter Last kurzzeitig einbricht. Die Regelung erhöht allerdings die Komplexität. Mehr Bauteile, zusätzliche Schaltkreise und aufwendige Steuerungskonzepte sind nötig, um ein stabiles Verhalten zu gewährleisten. Das kann die Effizienz leicht verringern, verbessert aber die Betriebssicherheit erheblich.

Technische Betrachtung ausgewählter DC/DC-Wandler für Hochvolt-Bordnetze

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs erfordert neue Architekturen im Bordnetz. Zentral ist die Frage, wie sich aus einer HV-Batterie mit typischerweise 400 V oder 800 V stabile Niederspannungen für Steuergeräte und Aktuatoren generieren lassen. DC/DC-Wandler stellen dabei die Schlüsselkomponente dar. Anhand der genannten Produkte lassen sich unterschiedliche Ansätze vergleichen.

Fixed-Ratio-Ansatz: Vicor HV-zu-48-V-Module

Die Vicor BCM-Module (Bus Converter Module) setzen auf ein festes Übersetzungsverhältnis. Elektrisch betrachtet handelt es sich um resonante Hochfrequenzwandler, die mit hoher Effizienz (>97 %) arbeiten und galvanische Trennung bieten. Der Wirkmechanismus entspricht einem HF-Transformator mit definierter Übersetzung, der über eine resonante Halb- oder Vollbrückenschaltung angesteuert wird. Eine Regelung auf der Sekundärseite entfällt.

Das bedeutet: Liegt am Eingang eine Spannung U_in an, so ergibt sich die Ausgangsspannung zu U_out = k ⋅ U_in mit dem Übersetzungsfaktor k (z. B. 1/8 bei einem 400-V-zu-48-V-Modul). Das vereinfacht den Aufbau erheblich, sorgt für exzellente Leistungsdichte (bis zu einigen kW pro Modul bei wenigen cm³ Volumen), hat aber den Nachteil, dass Lastsprünge oder Batteriespannungsschwankungen direkt auf die Ausgangsspannung durchschlagen.

Im Automotive-Kontext bedeutet das: Bei einer 800-V-Batterie, die aus Gründen eines Defekts auf 600 V absinkt, reduziert sich die nominale 48-V-Spannung auf 36 V. Für robuste Verbraucher wie Elektromotoren von Lüftern oder Pumpen ist das tolerierbar, für Steuergeräte mit enger Versorgungstoleranz jedoch kritisch.

Point-of-Load-Konzept: Vicor 48-V-zu-PoL-Wandler

Um diesen Effekt zu kompensieren, setzt Vicor auf ein zwei- bzw. mehrstufiges Konzept. Das BCM liefert eine 48-V-Zwischenebene, die anschließend durch regulierte ZVS/ZCS-Buck-Konverter (Zero-Voltage- oder Zero-Current-Switching) auf Point-of-Load-Spannungen wie 12 V, 5 V oder 3,3 V heruntergebrochen wird. Diese Stufen sind spannungsstabilisiert und arbeiten mit hohen Schaltfrequenzen, was kompakte Filter erlaubt.

Dadurch ergibt sich eine Kombination aus hoher Effizienz im ersten Schritt und stabilisierten Versorgungsspannungen nahe an den Verbrauchern. Allerdings bleibt die Schwankung auf der 48-V-Schiene bestehen und muss in der Gesamtauslegung berücksichtigt werden. Der Aufwand verlagert sich in Richtung Systemdesign, wo Pufferung und Toleranzmanagement entscheidend werden.

Geregelte HV-DC/DC-Wandler: Feste Ausgangsspannung

Einen anderen Ansatz verfolgen Hersteller von DC/DC-Wandlern, welche die Ausgangsspannung ständig anpassen. Hier kommt eine geschlossene Regelung zum Einsatz, die die Ausgangsspannung unabhängig von Batterieschwankungen stabilisiert. Typisch sind isolierte Flyback- oder LLC-Topologien, die über einen PWM-Regelkreis auf der Primärseite gesteuert werden. Ein Regel-IC misst die Ausgangsspannung über eine galvanisch getrennte Rückführung (Optokoppler oder digital isolierte Feedback-Pfade) und passt Tastgrad oder Resonanzfrequenz entsprechend an. Damit lässt sich eine konstante 12-V- oder 48-V-Spannung realisieren, die auch dann innerhalb ±2 % bleibt, wenn die Batteriespannung zwischen 250 und 475 V variiert. Diese Wandler sind in der Regel für Leistungsbereiche von einigen 100 W bis in den kW-Bereich ausgelegt und können kritische Verbraucher wie Steer-by-Wire, Brake-by-Wire oder Airbag-Steuergeräte zuverlässig versorgen. Der Nachteil liegt in der höheren Komplexität. Der Regelkreis benötigt stabile Schleifenkompensation, EMV-Filterung und eine schnelle Reaktion auf Lastsprünge, um Oszillationen zu vermeiden. Zudem ist der Wirkungsgrad oft geringer als bei reinen Ratio-Konvertern, weil zusätzliche Schalt- und Steuerverluste auftreten.

Relevanz für das Bordnetz-Design und die Systemarchitektur

Die Kernfrage lautet: Benötigt man in einem HV-Boardnetz zwingend eine stabilisierte Ausgangsspannung? Für periphere Verbraucher mit großen Toleranzen kann ein fester Übersetzer ausreichen. Kritische Sicherheitssysteme verlangen jedoch eine stabile Spannung, da Fehlfunktionen oder Reset-Ereignisse nicht akzeptabel sind.

Da Elektrofahrzeuge im Gegensatz zu Verbrennern keine Lichtmaschine als redundante Quelle besitzen, muss der DC/DC-Wandler im Fehlerfall die volle Verantwortung übernehmen. Fällt die HV-Batterie weg, bricht ohne zusätzliche Puffer (z. B. 12-V-Backup-Batterie oder Superkondensator) die gesamte Niedervoltversorgung zusammen. Aus diesem Grund implementieren Fahrzeughersteller oft Hybridarchitekturen: Ein Fixed-Ratio-Wandler sorgt für Effizienz, eine nachgeschaltete geregelte Stufe stabilisiert die Spannung für kritische Verbraucher, und Energiespeicher überbrücken Ausfälle im Millisekunden- bis Sekundenbereich.

Die Frage der Notwendigkeit: reicht eine feste Übersetzung?

Die Entscheidung zwischen beiden Ansätzen ist nicht nur eine technische, sondern auch eine funktionale. In vielen Anwendungen genügt es durchaus, wenn die Ausgangsspannung proportional zum Eingang schwankt. Ein Infotainmentsystem oder ein Ladegerät toleriert moderate Spannungsschwankungen ohne Probleme. Für sicherheitskritische Systeme gilt das jedoch nicht. Bei Steer-by-Wire oder Brake-by-Wire muss die Versorgungsspannung auch im Fehlerfall gewährleistet sein. Gerade weil in Elektrofahrzeugen keine Lichtmaschine mehr existiert, die im Notfall die Versorgung übernehmen könnte, steigt die Bedeutung geregelter DC/DC-Stufen. Ein fester Übersetzer ohne Spannungsregelung kann hier an seine Grenzen stoßen.

Hersteller begegnen diesem Dilemma oft mit hybriden Architekturen. Ein festes Übersetzermodul liefert den Großteil der Energie hocheffizient, während nachgeschaltete, geregelte Stufen oder Point-of-Load-Wandler für die Spannungsstabilität sorgen. Ergänzt wird dies häufig durch Pufferspeicher – etwa Supercaps oder kleine 12-Volt-Batterien –, die kurze Ausfälle oder Spannungseinbrüche überbrücken. So lassen sich Effizienz und Sicherheit in Einklang bringen.

Redundanz als Sicherheitsfaktor im Bordnetz

Ein zentrales Element moderner Bordnetzarchitekturen ist die Frage der Redundanz. Da sicherheitskritische Systeme wie Lenkung, Bremse oder Airbag nicht von einer einzelnen Spannungsquelle abhängig sein dürfen, setzen Fahrzeughersteller zunehmend auf doppelte oder parallele DC/DC-Stufen. Redundante Wandler arbeiten entweder aktiv parallel, sodass sich die Last verteilt, oder passiv im Hot-Standby, um im Fehlerfall sofort zu übernehmen. Ergänzend dazu können mehrere getrennte Niedervolt-Bordnetze aufgebaut werden, die voneinander unabhängig kritische Funktionen versorgen. Diese Ansätze erhöhen zwar den Aufwand in Design, Gewicht und Kosten, sind aber im Hinblick auf funktionale Sicherheit nach ISO 26262 unverzichtbar. Ohne solche Konzepte könnte bereits ein einzelner Ausfall zu einem Totalausfall des Fahrzeugs führen – mit gravierenden Folgen für Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Ein Ausblick sowie zukünftige Entwicklungen

Die Entwicklung von DC/DC-Wandlern für Hochvolt-Bordnetze bewegt sich in einem Spannungsfeld zwischen Effizienz, Leistungsdichte und Sicherheit. Fixe Ratio-Module zeigen, was in Sachen Kompaktheit und Wirkungsgrad möglich ist. Geregelte Lösungen wiederum verdeutlichen, wie wichtig eine stabile Spannung für kritische Fahrzeugsysteme ist. Ob die Ausgangsspannung aktiv geregelt werden muss, hängt am Ende von der Sicherheitskritikalität der jeweiligen Verbraucher ab.

Klar ist jedoch: Mit dem Wegfall der Lichtmaschine im Elektrofahrzeug trägt der DC/DC-Wandler eine zentrale Verantwortung. Er ist nicht nur Spannungswandler, sondern Garant für die Funktionsfähigkeit aller Systeme und damit essenziell für Fahrzeugsicherheit und Zuverlässigkeit. (mr)

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