Jetzt wirklich: Das 48-Volt-Bordnetz wird salonfähig
Unter Druck zur Verbrauchssenkung wird es interessant, ein zusätzliches 48-Volt-Netz einzuziehen. Es ermöglicht Maßnahmen von einer hocheffizienten Start-Stopp-Automatik bis hin zu einem Funktionsumfang nahe einem vollwertigen Vollhybrid kostengünstig in ganz normalen Autos
Wien, 21. September 2016 – Schon zur Jahrtausendwende sprachen die Autohersteller auffällig oft von der Notwendigkeit einer höheren Bordspannung. Im Zuge der damals schon anlaufenden Elektrifizierung des Automobils befürchtete man, dass vor allem für die vielen Komfortfeatures von Klimaautomatik über automatisches Einparken bis zu hin zu Massagesitzen wohl bald nicht mehr genug Strom zur Verfügung stehen könnte. Man wollte sich auf ein zusätzliches Stromnetz von 42 Volt einigen, doch es kam kein einheitlicher technischer Standard zustande, schließlich machte die Elektronik selbst durch hocheffiziente Bus-Systeme und hochintelligente Steuerungen das Ansinnen überflüssig. Man kam bis heute ohne höhere Spannung aus.
Großserienauto als günstige Basis
Doch jetzt wird es wieder ernst. Und zwar aus einem anderen Grund. Diesmal lautet das Thema 48 Volt, und den Hintergrund dafür bilden nicht mehr primär Komforteinrichtungen und Spielereien, sondern es geht um den enormen Druck in Richtung Senkung des CO2-Ausstoßes und Einhaltung immer schärferer Abgaslimits.
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Kern der Überlegungen: Es sind nicht unbedingt mehrere hundert Volt notwendig, um in einem Auto Hybridfunktionen darzustellen. Mit einem zusätzlichen 48-Volt-Netz lässt sich bereits eine breite Palette an Maßnahmen [3] verwirklichen, von einer hocheffizienten Start-Stopp-Automatik über exotische Einzelanwendungen [4] bis hin zu einem Funktionsumfang nahe einem vollwertigen Vollhybrid. Der Vorteil dabei: Durch Entfall einer Hochvolt-Ebene (die beginnt erst über 60 Volt) bleibt das ein ganz normales Auto ohne besondere elektrotechnische Sicherheitsvorkehrungen bei der Herstellung und in der Werkstätte und mit deutlich preisgünstigeren Komponenten und Bauteilen.
Kern der Sache ist, dass durch diese Art der Hybridisierung Kraftstoffeinsparungen möglich sind, die nahe an vollwertige Hochspannungshybride heranreichen, aber doch zu einem günstigeren Preis. Continental spricht hier von 13 Prozent bei einem einfacheren System, das mit vergleichsweise geringem Aufwand in den vorhandenen Riementrieb einsetzen wird, bis 20 Prozent bei einem 48-Volt-Motor der räumlich und funktional in das Getriebe integriert ist.
Ein wichtiger Punkt ist, dass bereits mit eine Spannung von 48 Volt Leistungen bis etwa 15 Kilowatt umgesetzt werden können, das betrifft sowohl die elektrische Unterstützung des Verbrennungsmotors als auch das Rekuperieren, also die Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim sanften Bremsen und Bergabfahren.
Die einfachste Basis einer 48-Volt-Architektur [5] stellt eine Elektromaschine dar, die anstatt des herkömmlichen Generators mit wenigen Modifikationen in den bestehenden Riementrieb integriert ist und auch gleich die Funktion des Starters übernimmt. Für die Übertragung der auf 10 bis 15 kW beschränkten Leistung des 48-Volt-Systems reicht auch meist ein Keilrippenriemen aus.
E-Maschinen mit nennenswerter Leistung
Durch die etwa fünffache Leistung eines 48-Volt-Starter-Generators gegenüber einer herkömmlichen 12-Volt-Lichtmaschine (maximal 3 kW) können erst wirklich nennenswerte Mengen an Strom ins Bordnetz zurückgespeist werden (wenngleich der mitlaufende und damit mitbremsende Verbrennungsmotor diesen Erfolg zum Teil wieder zunichte macht). Ein weiterer positiver Effekt ist, dass mit 5 kW (Dauerleistung) bis 15 kW (Spitzenleistung) der Verbrennungsmotor beim Beschleunigen durchaus nennenswert unterstützt wird und im Teillastbereich in einen sparsameren abgasärmeren Kennfeldbereich gedrückt werden kann. Auf diese Art kann mitunter auch das Rohabgas deutlich verbessert werden. Dies macht eine 48-Volt-Hybrid-Architektur auch für Dieselfahrzeuge interessant, wo eine potenzielle Verbrauchseinsparung durch milde Hybridisierung eher marginal erscheint. Als Beispiel dafür sei der Renault Scénic Diesel [6] genannt, der kürzlich vorgestellt wurde und ab Anfang des kommenden Jahres erhältlich ist.
Ein weiterer Vorteil des 48-Volt-Netzes mit einem kräftigen Starter-Generator ist, dass der automatische Startvorgang mit höherer Motordrehzahl harmonischer und sehr geräuscharm ablaufen kann.
Interessanterweise lässt sich das Thema 48-Volt-Netz bis hin zu einer hochkomplexen Hybrid-Architektur steigern, mit der Möglichkeit, den Verbrennungsmotor abzukoppeln. Dann ist wie bei einem Vollhybrid auch rein elektrisches Fahren möglich. Auch die Rekuperation erfolgt bei abgekoppelten Verbrennungsmotor effizienter. Allerding ist das rein elektrische Fahren durch die limitierte Leistung der 48-Volt-Elektromaschine nur auf kurzen Distanzen bei geringen Geschwindigkeiten möglich und sinnvoll. Immerhin kann damit auch das Segeln unterstützt werden.
Für eine komplexe Funktionsweise des elektrischen Zusatzantriebs genügt es allerdings nicht, den 48-Volt-Starter-Generator einfach in den vorhandenen Riementrieb zu integrieren. Dann ist schon eine direkte Verbindung zur Kurbelwelle mit Trennkupplung notwendig. Die Elektromaschine kann dabei koaxial oder achsparallel angeordnet sein. Es ist vor allem eine Frage des vorhandene Bauraumes im Fahrzeug, des Antriebskonzepts (Front/Heck/Standard) und der Art des Elektromotors, wofür man sich entscheidet. Je diffiziler die Hybridisierung ausfällt umso eher wird sie auch mit einem Automatikgetriebe kombiniert sein. Bei einer derart komplexen 48-Volt-Architektur erscheint auch die Verarbeitung von Navigationsdaten zur weiteren Verbrauchsabsenkung zielführend.
Speicher-Domwsizing
Kraftstoffersparnis also bis 20 Prozent bei überschaubarem Aufwand. Das betrifft auch den notwendigen Energiespeicher. Wesentlich geringere Leistungsumsätze des Systems gegenüber einem Hochvolt-Hybriden bedeuten auch, dass der Energieinhalt der Batterie, üblicherweise in Lithium-Ionen-Bauweise ausgeführt, klein gehalten werden kann, womit sich auch die Kosten für die Batterie in der Größenordnung von einer Kilowattstunde in Grenzen halten. (fpi [7])
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[3] https://www.heise.de/news/Intelligent-electrification-Nachruest-Hybrid-Ricardo-ADEPT-3320097.html
[4] https://www.heise.de/news/Audi-experimentiert-mit-rekuperativen-Stossdaempfern-3291383.html
[5] https://www.heise.de/news/AVL-Tagung-Motor-und-Umwelt-2714761.html
[6] https://www.heise.de/news/Genfer-Autosalon-Renault-zeigt-neuen-Scenic-und-Megane-Kombi-3126638.html
[7] mailto:fpi@heise.de
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