Benutzer:TheMechanist95/48V
Motivation
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Leistung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das konventionelle 12V-Bordnetz stößt für neuartige Hochleistungsverbraucher an seine Grenzen. Für typische neuartige Komponenten, wie ein elektrischer angetriebener Kompressor oder elektrisch beheizte Katalysatoren, werden Leistungen im Rahmen von 3-7 kW benötigt. Bedingt durch P = U * I fließt bei 12V der vierfache Strom gegenüber einer Spannung von 48V. Bei 12V entspricht dies einem Strom von über 500 A und übertrifft damit die Leistung konventioneller Generator um den Faktor 2. Für derartige Verbraucher ist entsprechend ein leistungsfährigeres Bordnetz sinnvoll. Eine weitere Problematik der hohen Ströme sind die notwendigen Leitungsquerschnitte. Schon bei einer Leistung von 5 kW werden nach VDE 0298-4-Norm ein Leitungsdurchmesser in Höhe von 15mm bei einer Spannung von 12V. Bei einer Leistung von 15 kW sind bereits 20 mm Durchmesser notwendig. Bei einer vervierfachung der Spannung auf 48V reduziert sich auch der notwendige Durchmesser auf circa 4 mm, beziehungsweise 5 mm. Dadurch reduzieren sich die Kosten für die Verdrahtung von leistungsstarken Komponenten erheblich. Durch diesen Zusammenhang produzieren sie auch weniger Wärme und benötigen weniger Bauraum. Natürlich gelten die Vorteile für höhere Spannungen als 48V ganz genauso, allerdings schreibt die Norm ISO6469-3 ab einer Gleichspannung von 60 V höhere und kostenintensive Anforderungen bezüglich Berührschutz vor. 48V eignet sich hier als günstiges Optimum. [1]
Durch die durch die höhere Leistung möglichen Verbraucher und elektrische Maschinen lässt sich der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen erheblich reduzieren, was zu einem starken Erhöhung der Motivitaion führt.
Aufbau
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Ein KFZ-Bordnetz besteht aus vier allgemeinen Bestandteilen: Energiespeicher, Energiewandler, Energieerzeuger, Energieverbraucher, Energieverteilung[2]. Viele diese Bestandteile werden bei einem 48V-Bordnetz erweitert. Als 48V-Teilbordnetz wird ein Bordnetz mit einem 14V-Generator bezeichnet, arbeitet dieser auf 48V-Ebene wird von einem 48V-Bordnetz gesprochen.
Batterie
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Als 48V-Batterie werden derzeit ausschließlich Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt. Neben dieser Batterie muss aus Sicherheitsgründen weiterhin eine 12V-Batterie vorhanden sein. Bei Ausfall des DC/DC-Wandlers würde die 12V-Seite vollständig stromlos werden, was zu einem Totalausfall sämtlicher Steuergeräte und auch der Einspritzanlage führt. Somit wäre das Fahrzeug nicht mehr durch den Fahrer beherrschbar und Sicherheitssysteme würden ausfällen. Falls diese allerdings nicht für den Start eingeset wird, kann die Apazität deutlich reduziert werden. Bei einem 48V-Bordnetz mit einem 48V-Generator kann es je nach Konzept dennoch notwendig sein einen herkömmlichen Anlasser für den Kaltstart zu verwenden. Ein Riemen könnte bei kalten Temperaturen leicht durchrutschen, was den Kaltstart durch einen Riemenstartergenerator verhindert[3]. In diesem Fall würde auch ein überbrücken nicht helfen. Darüber hinaus verlieren Lithium-Ionen-Akkumulatoren bei kalten Temperatur an Leistung und sind somit unter Umständen nicht mehr startfähig. Aus diesen Gründen kann trotzdem eine 12V-Starterbatterie mit üblicher Kapazität notwendig werden.
Nachfolgend die Kenndaten üblicher am Markt verwendeter 48V-Batterien:
| Lieferant | Eingesetzt bei | Kapazität | Nutzbare Energie | Gewicht |
|---|---|---|---|---|
| A123[4] | Unbekannt | 8 Ah | 180 Wh | < 8 kg |
| A123[4] | Unbekannt | 6 Ah | 135 Wh | < 7 kg |
| Robert Bosch GmbH[5] | Unbekannt | 8 Ah | -- | 7 kg |
| Hitachi Vehicle Energy, Ltd.[6] | Unbekannt | 8 Ah | -- | 8 kg |
| LG chem Ltd | Audi A6 C7, Audi A8 D5, Audi SQ7 | 10 Ah[3] | -- | -- kg |
| -- | Renault Scenic[7] | 5 Ah | -- | -- kg |
| -- | Mercedes-Benz S-Klasse[8] | 20 Ah | 960 Wh | -- kg |
Elektrische Maschine
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Verbraucher
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]CO2
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ein weiterer entscheidender Treiber sind die sinkenden CO2 und Emissionsgrenzwerte. Die höhere nLeistungen ermöglichen kOmponenten, die nicht nur den Fahrkomfort erhöhen, sondern auch die Emissionen und Kraftstoffverbrauch signifikant senken. Mit verhältnismäßig wenig Aufwand, lässt sich eine milde Hybridisierung realisieren, die 10-20% sparen kann. Auch Funktionen wie elektrischer Allradantrieb (mechanisch angetriebene Frontachse und elektrisch angetriebene Hinterachse) sind Bestandteil von Forschungsvorhaben. Ebenso lassen sich künftig Systeme umsetzen, mit denen elektrisches Fahren mit niedrigen Geschwindigkeiten möglich ist. Des weiteren sind elektrische Katalysatorheizungen, welche auch unter realbedingungen den Katalysator stets auf Arbeitstemperatur halten, oder
Geschichte
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]42V stand für ein Projekt mit dem Ziel die Bordnetze von Kraftfahrzeugen (PKW, LKW und Busse) auf eine elektrische Spannung von 42 V umzustellen. Der vollständige Name des Projekts lautet auf Deutsch „42V/14V-Bordnetz“, auf Englisch: „42V/14V PowerNet“. Für das Projekt wurde ein Logo geschaffen, das „42 V an Bord“ signalisieren sollte.
Aufgrund der Mehrkosten und der zu geringen Motivation wurden das Projekt und die Umstellung auf 42V-Bordnetze im europäischen KFZ-Bereich eingestellt.
Vereinigte Staaten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Am Massachusetts Institute of Technology Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems (MIT/LEES) in Cambridge traf sich 1994 auf Initiative von Daimler-Benz der erste „Workshop on Advanced Architectures for Automotive Electrical Distribution Systems“ mit dem Ziel, die Architektur für ein künftiges automobiles Bordnetz zu erarbeiten. Teilnehmer dieses Workshops waren neben den Automobilfirmen Daimler-Benz, Ford und General Motors von Anfang an auch Zulieferfirmen.
Im September 1995 wurden am MIT verschiedene Bordnetz-Architekturen mit dem Tool „MAESTrO“ verglichen und im Dezember 1995 in den „Conclusions“ als künftiges Spannungsniveau erstmals ein Wert von ca. 40 V fixiert.
Anfang 1996 wurde das „Consortium on Advanced Automotive Electrical and Electronic Systems“ ins Leben gerufen. Auf dem anschließenden Workshop im März 1996 wurde die künftige Nennspannung mit 42 V definiert. Im IEEE Spectrum erschien im August 1996 der Beitrag „Automotive electrical systems circa 2005“.[9]
Im Anschluss an die Convergence Oktober 1996 hielt in Detroit Professor John G. Kassakian im Rahmen des „IEEE Workshop on Automotive Power- Electronics“ den Vortrag „The Future of Automotive Electrical Systems“. Am 24. März 1997 wurde von Daimler-Benz am MIT die „Draft Specification of a Dual Voltage Vehicle Electrical Power System 42V/14V“ vorgestellt.
Europa
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Parallel zu den Aktivitäten in den USA wurde 1994 ebenfalls auf Initiative von Daimler-Benz bei der damaligen SICAN GmbH in Hannover das „Forum Bordnetz“ der Automobilunternehmen in Deutschland ins Leben gerufen. Auch dort wurden sehr bald die Zulieferer in die Diskussion mit einbezogen, sowie alle europäischen Automobilfirmen zur Teilnahme eingeladen. Am 15. Februar 1996 wurde am Forum Bordnetz das Positionspapier „Bordnetzarchitektur im Jahr 2005“ beschlossen und am 4. Juni 1996 von BMW die „Tabelle heutiger und zukünftiger Verbraucher im Kfz“ und das „42V/14V-Bordnetz“ vorgestellt.
Beachtung fand auf der 7. Internationalen Fachtagung für Elektronik im Kraftfahrzeug in Baden-Baden am 13. September 1996 der Vortrag „Neue Bordnetz- Architektur und Konsequenzen“, gehalten von Richard D. Tabors. Am 6. März 1997 wurde in Hannover von BMW der „Spezifikationsentwurf für das Zwei-Spannungsbordnetz 42V/14V“ vorgestellt.
Entscheidende Impulse für die Arbeit bei der SICAN GmbH kamen aus der Zusammenarbeit von BMW und Daimler-Benz durch die gemeinsame Erstellung der europäischen „Verbraucherliste 2005“ und dem gemeinsam erarbeiteten „Spezifikationsentwurf für das Zwei-Spannungsbordnetz 42V/14V“.
Wahl der Spannung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Nach Vorarbeiten, deren Ergebnis die "Verbraucher-Liste eines Fahrzeuges 2005" war, wurden am Massachusetts Institute of Technology Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems (MIT/LEES) im Workshop September 1995 verschiedene Bordnetz- Architekturen mit dem Werkzeug „MAESTrO“ verglichen (12 V, 12 V/24 Vdc, 12 V/48 Vdc und 12 V/60 Vac). Dabei zeigte sich eine möglichst hohe Gleichspannung als günstigste Alternative.
Einschränkend besteht für Gleichspannungen eine Berührungsschutzgrenze von 60 V, die auch bei Spannungsschwankungen durch extreme Bedingungen nicht überschritten werden darf. Damit schied ein Bordnetz mit einer Batterie-Nennspannung von 48 V aus, weil dann bei niedrigen Temperaturen die Ladespannung des Akkumulators die Höhe von 60 V erreichen kann. Bei Akkumulatoren hat zudem die Zellenzahl Einfluss auf Preis, Gewicht und Volumen und sollte deshalb möglichst niedrig gehalten werden.
Allerdings hätten zur Einführung des 42V/14V-Bordnetzes neue Batterietechnologien für Automotive-Anwendungen nicht zu vertretbaren Kosten zur Verfügung gestanden. Diese erfordern außerdem besondere Laderegime und können folglich nicht „starr“ am Bordnetz betrieben werden, was bei der Deckung von Leistungsspitzen von Vorteil ist. Bleiakkumulatoren sind kostengünstig und zeigen im Laden/Entladen ein sehr „gutmütiges“ Verhalten. Es wären also Bleiakkumulatoren auf der niedrigen Spannung energieoptimiert bzw. lebensdaueroptimiert und auf der höheren Spannung leistungsoptimiert eingesetzt worden.
Ein weiteres wichtiges Kriterium für eine neue Architektur war, dass sie weitgehende Migrationsmöglichkeit bietet, also die Verbraucher ggf. erst nach und nach entsprechend den Erfordernissen auf die höhere Spannung umgehängt werden können. Zum Verständnis ist es nötig, sich klarzumachen, dass das heutige 12 V-Bordnetz eine Generator-Regelspannung von ca. 14 V hat und dies damit die vorherrschende Spannung ist. Entsprechend wurde die Benennung dieses Zweiges im künftigen Bordnetz auf 14 V korrigiert.
Abhängig von den Betriebszuständen kann die Bordnetzspannung heute zwischen 6,5 und 16 V schwanken, wobei dem noch eine mehr oder weniger große Welligkeit überlagert ist. Im 42V/14V-Bordnetz sollte der 14 V-Zweig von Verbrauchern hoher Leistung befreit sein und deshalb in wesentlich engeren Grenzen gehalten werden können.
In intensiven Gesprächen mit den großen Halbleiterherstellern zeigte sich eine Spannung von ca. 40 V als vorteilhaft. Viele Argumente sind im Vortrag „Intelligente Leistungshalbleiter für zukünftige Kfz-Bordnetze“[10] ("Intelligent Power Semiconductors for Future Automotive Electrical Systems"[11]) von der damaligen Siemens Halbleiter jetzt Infineon von der 17. Tagung „Elektronik im Kraftfahrzeug“ am 3./4. Juni 1997 in München zusammengefasst.
Weitere Argumente für eine höhere Spannung waren die Reduzierung von Gewicht in der Verkabelung und die Verbesserung der Bordnetzstabilität auch durch Reduzierung der Spannungsabfälle. Mit einer dreifachen Spannung können dicke Leiter auf ein Drittel des Querschnittes reduziert werden und gleichzeitig der relative Spannungsabfall ebenfalls auf ein Drittel. Bei gleichem Querschnitt beträgt der relative Spannungsabfall nur noch ein Neuntel. Die aus der Fülle von Argumenten resultierende Spannungslage war so nahe am Dreifachen der heutigen Spannung, dass es sich regelrecht aufdrängte, 42 V für die zweite Spannungsebene zu wählen.
Umsetzung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ab 2001 wurden von japanischen Herstellern und von General Motors Hybrid-Fahrzeuge mit dem Zwei-Spannungsbordnetz 42V/14V auf den Markt gebracht.[12] Obwohl Daimler-Chrysler zu den Mitinitiatoren dieses Konzeptes zählte und eine Umsetzung für ca. 2005 plante, wurde es in Deutschland nicht eingesetzt.
Es war klar, dass die Neuentwicklung von 42 V-Komponenten erhöhte Kosten verursachen würde. Letztlich wollte kein deutscher Automobilhersteller die bezifferten Mehrkosten für eine Umstellung in Kauf nehmen, da es nicht möglich erschien, für den notwendigen Mehrpreis gegenüber den Kunden einen dementsprechenden Nutzwert darzulegen.[13]
Die Aktivitäten betreffend 42 V sind in Europa mittlerweile eingestellt. Stattdessen wird von deutschen Automobilherstellern seit 2010 für die Aufgabenstellung die Lösung favorisiert, ein zweites Teilbordnetz mit einer Spannung von 48 Volt vorzusehen, welches das 12‑Volt‑Netz ergänzt.[14]
Fußnoten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ Schaeffler
- ↑ Florian Ruf: Auslegung und Topologieoptimierung von spannungsstabilen Energiebordnetzen, Diss. Technische Universität München, Fachgebiet Energiewandlungstechnik, 13. Oktober 2015, abgerufen am 6. September 2018.
- ↑ a b Audi AG: Vielseitig und effizient: Mild-Hybrid-Technologie. 2. Juni 2017, abgerufen am 27. März 2018.
- ↑ a b A123 Systems: Lithium-ion 48V Battery. Abgerufen am 7. September 2018.
- ↑ Robert Bosch GmbH: Low-voltage hybrid systems. Abgerufen am 7. September 2018.
- ↑ Hitachi Vehicle Energy, Ltd.: Development of 48V Lithium-ion Battery Pack with Improved Output Density and Energy Density Developed for Mild Hybrid Vehicles. 22. Mai 2017, abgerufen am 7. September 2018.
- ↑ Richard Pothin, Pietro Dolcini: Deployment of 48 V in Renault, current status and future outlook. In: Liebl J., Beidl C. (Hrsg.): Internationaler Motorenkongress 2017. Proceedings. Springer Viewig, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-17108-7, doi:10.1007/978-3-658-17109-4_21.
- ↑ Dipl.-Ing. Roland Kemmler, Dipl.-Ing. Fritz Kreitmann, Dipl.-Ing. Matthias Werner, Dr. Robert Inderka, et al.: M 264 – Der neue Mercedes-Benz 4-Zylinder Toptype-Ottomotor mit 48V-Elektrifizierung. In: 38. Int. Wiener Motorensymposium. 24. März 2017, S. 18.
- ↑ John G. Kassakian, Hans Christoph Wolf, John M. Miller, Charles J. Hurton: Automotive Electrical Systems Circa 2005. Demands for Better Fuel Economy and more Electric Power are Driving Cars to Multiple Higher Voltages. In: IEE Spectrum. 1. August 1999, abgerufen am 26. Dezember 2015 (englisch, Text ohne Grafiken). Erstmals veröffentlicht im August 1996 in IEEE Spectrum, Band 33, Nr. 8, ISSN 0018-9235. (Abstract )
- ↑ Intelligente Leistungshalbleiter für zukünftige Kfz-Bordnetze Paper der Tagung „Elektronik im Kraftfahrzeug“, München 1997 (PDF; 93 kB)
- ↑ Intelligent Power Semiconductors for Future Automotive Electrical Systems Paper der Tagung „Elektronik im Kraftfahrzeug“, München 1997 (PDF; 95 kB)
- ↑ Tatsuo Teratani, Toyota Motor Corporation: Future Vehicles and Trend with Automotive Power Electronics and Hybrid Technology. (pdf (3,8 MB)) In: FT3-1.2. VDE-Kongress 2006, 24. Oktober 2006, archiviert vom (nicht mehr online verfügbar) am 27. Dezember 2015; abgerufen am 5. Januar 2016 (Auf Folie 22 von 30 finden sich Fahrzeuge mit 42V Bordnetz, die zwischen 2001 und 2004 in Produktion gingen.).
- ↑ Dr. Henning M. Hauenstein: Evolution der Bordnetzarchitektur durch 48-V-Versorgungsbus. In: elektroniknet.de. Weka Fachmedien GmbH, 9. Juli 2013, abgerufen am 21. Dezember 2015.
- ↑ Alfred Vollmer: Deutsche OEMs setzen Standards. 48-V-Bordnetz, Teilnetzbetrieb und Ladeschnittstelle. In: All-Electronics.de. Hüthig GmbH Fachportal, 14. Juni 2011, abgerufen am 21. Dezember 2015.
Weblinks
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Alfons Graf: Halbleiter im 42V-Bordnetz ( vom 21. Juli 2011 im Internet Archive) Infineon Technologies, München, Oktober 2001
- Mike Weighall: 42V Powernet Report. Rolf Becker (Hrsg.), Aachen, Januar 2003, abgerufen am 26. Dezember 2015.