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BEVs haben ein Gewichtsproblem, das mit traditionellen Ansätzen nicht gelöst werden kann
BEVs werden immer schwerer, und die Einführung einer 48V-Zonenarchitektur ist erforderlich, um Gewicht und Platz zu reduzieren. Hochdichte Leistungsmodule verringern das Gewicht, verbessern die Effizienz und optimieren die Vorteile des Übergangs zum 48-Volt-Bus.
Hochdichte Leistungsmodule ermöglichen 48V-Systeme, die das Gewicht und den Leistungsverlust reduzieren
Elektrofahrzeuge mit Batterie (BEVs) haben mit einem erheblichen Gewichtsproblem zu kämpfen, das von Weight Watchers® nicht gelöst werden kann. Viele BEVs sind bis zu 33 % schwerer als ihre Pendants mit Verbrennungsmotor (ICE). Der Vorsitzende des National Transportation Safety Board bemerkte: "Der Ford F-150 Lightning ist zwischen 2.000 und 3.000 Pfund schwerer als die nicht-elektrische Version." Darüber hinaus ergab eine Studie des National Bureau of Economic Research, dass die Hinzufügung von zusätzlichen 1.000 Pfund zu einem Fahrzeug das Risiko eines tödlichen Unfalls um etwa 47 % erhöht.
Infolgedessen stehen Automobilhersteller vor erheblichen Herausforderungen bei der Gestaltung von BEVs mit verbesserter Reichweite, Sicherheit und elektronischen Inhalten. Es ist eine der herausforderndsten F&E-Herausforderungen, denen die Branche je gegenüberstand.
Trotz der enormen Herausforderung können Bedenken von Automobilherstellern, Verbrauchern und Gesetzgebern durch den Ersatz des konventionellen, übergewichtigen Stromversorgungsnetzwerks (PDN) in EVs durch eine 48V-Zonenarchitektur, bei der ein 48V-Bus das herkömmliche 12V-System ersetzt, gemindert werden. Die Implementierung einer zonalen Architektur, unterstützt von hochdichten Leistungsmodulen, reduziert das Gewicht auf drei Arten. Diese neue Architektur ermöglicht den Übergang von dicken Kabelbäumen zu deutlich dünneren, wodurch das Gewicht der Kabelbäume um bis zu 85 % reduziert wird. Zusätzlich können Niederspannungs-Hilfsbatterien entfernt und mit Leistungsmodulen virtualisiert werden, was das Gewicht der Batterie vollständig beseitigt. Schließlich optimiert die Aufrüstung des PDN mit Leistungsmodulen das thermische Managementsystem und reduziert sein Gewicht um bis zu 33 %.
Bild 1: Die Umstellung auf ein 48V-System reduziert den Gesamtstromverbrauch des Fahrzeugs von über 250A auf unter 75A, ohne den elektrischen Inhalt des Fahrzeugs zu beeinträchtigen. Seit 1908 ist die Stromnachfrage in Automobilen exponentiell mit der Einführung von Fahrzeugelektronik gewachsen. In den 1960er Jahren erhöhten Automobilhersteller die Spannung von 6V auf 12V, was zu einem Rückgang des Stromverbrauchs führte - zum ersten Mal in 60 Jahren. Heute verwenden die meisten OEMs immer noch den 12V-Bus, obwohl die Nachfrage nach mehr Strom besteht. Im Jahr 2023 wurde Tesla zum ersten OEM, der eine vollständige Umstellung auf eine 48V-Busnutzung im gesamten Fahrzeug ankündigte, was den Strombedarf dramatisch reduzieren wird.
Der Übergang zu einer zonalen Architektur, einer Alternative zur herkömmlichen zentralisierten Architektur, reduziert das Gewicht erheblich und verbessert die Gesamteffizienz des Stromversorgungssystems.
Der Wechsel zu 48V: eine offensichtliche Verbesserung und längst überfällig für BEVs
Bei jedem Designzyklus werden neue Elektronikkomponenten wie Sicherheits-, Sicherheits- und Autonomiefunktionen zu neuen Fahrzeugen hinzugefügt. Jede zusätzliche Funktion erhöht den Stromverbrauch, und bei einer festen, standardisierten Batterie führt dies zu einem exponentiellen Anstieg des Stroms. Wie die Trends im Stromverbrauch zeigen (Abbildung 1), ist das zentralisierte Architektur-PDN nicht nachhaltig. Der einzige Weg, um den stetig wachsenden Bedarf an Leistung zu unterstützen, während nachhaltige Stromniveaus wiederhergestellt und das Gewicht des Kabelbaums minimiert werden, besteht darin, die Betriebsspannung auf 48V mit einer zonalen Architektur zu erhöhen.
Die heutigen BEVs werden von einer primären Hochvoltbatterie (typischerweise 400V oder 800V) angetrieben, die nicht nur Strom an den elektrischen Antriebsmotor liefern muss, sondern auch an eine Vielzahl von Niederspannungslasten wie Klimaanlage, beheizte Sitze und Infotainmentsysteme. Ein PDN wandelt die Hochspannung in die 48V- und 12V-Hilfsbatterien um, die diese Subsysteme mit Energie versorgen.
Der Wechsel zu einer 48V-Zonenarchitektur bietet eine Möglichkeit, die durch das Ohmsche Gesetz ermöglicht wird: Leistung = Strom × Spannung. Für dieselbe Leistungsabgabe erfordert eine 12V-Quelle viermal so viel Strom wie eine 48V-Quelle. Daher ist das 12V-Kabel auch in der Regel viermal dicker als ein 48V-Kabel.
Der Untergang der zentralisierten 12V-Architektur
Das zentralisierte 12V-System ist seit den 1960er Jahren die traditionelle Stromarchitektur, die in Automobilen verwendet wird. Diese Architektur besteht aus einer sperrigen silbernen Gehäusebox, die eine Reihe diskreter Komponenten enthält, einschließlich aller DC-DC-Wandler, Hochspannungs- (HV) zu 48V zu 12V. Dicke und schwere Drähte sind erforderlich, um den 12V-Strom zu den Lastpunkten zu transportieren. Darüber hinaus erzeugt dieses zentrale Stromsystem aufgrund der ineffizienten DC-DC-Umwandlung erhebliche Wärme aus der silbernen Box, was oft intensive Flüssigkeitskühlung erfordert, die zusätzliches Gewicht hinzufügt.
Um auf 48V umzusteigen, können Hochdichte-Leistungsmodule an den Endpunkten verwendet werden, um effizient auf 12V an den Lastpunkten zu wandeln. Dies ermöglicht es dem OEM, die Flexibilität zu haben, die 12V-Lastgeräte im Laufe der Zeit schrittweise auf 48V umzustellen. Dies hilft dabei, die Vorteile der Verwendung von 48V schnell zu erzielen, bei minimaler Unterbrechung der Systemarchitektur.
Die 48V-Zonenarchitektur reduziert Wärmeverluste und Strom
Dieses neuartige 48V-Zonenarchitektursystem nutzt das Ohm'sche Gesetz und bedeutet einen Paradigmenwechsel für die Branche, bei dem die DC-DC-Umwandlung näher an den Lastpunkten stattfindet, anstatt innerhalb der zentralen silbernen Box. Bei diesem Ansatz ermöglicht die HV-zu-48V-Umwandlung eine sichere 48V-Verteilung im gesamten Fahrzeug. Die 48V-zu-12V-Umwandlung erfolgt am Lastpunkt. Durch die Übertragung des Stroms bei 48V statt bei 12V können die Drähte dünner, leichter und deutlich günstiger sein (Abbildung 2). Dieser kleinere, flexiblere Draht ist auch einfacher im Fahrzeug zu verlegen. Darüber hinaus verteilt dieser Ansatz die Wärmeverluste, die mit den DC-DC-Wandlern verbunden sind, gleichmäßig im gesamten Fahrzeug und ermöglicht die potenzielle Verwendung von fahrzeugmontierten Wärmeleit- und Konvektionskühlungen.
Abbildung 2a (links) & 2b (rechts): Heute werden in Automobilen zwei verschiedene PDNs verwendet. Die zentrale 12V-Architektur und die schnell wachsende 48V-Zonenarchitektur. Erstere ist auf den dicken 12V-Kabelbaum angewiesen, während letztere den dünnen 48V-Kabelbaum nutzt, der deutlich leichter ist, Wärmeverluste reduziert und den Strom um das Vierfache reduziert.
Die Gewichtseinsparungen im Überblick
Die 48V-Zonenarchitektur unterstützt die steigende Leistungsanforderung bei BEVs und senkt gleichzeitig das Fahrzeuggewicht auf drei Arten.
- Kabelbaum: ~85% Gewichtsreduktion
Die Umstellung auf die 48V-Zonenarchitektur bedeutet, dass traditionelle 12V-Kabel mit 4-Gauge und einem Gewicht von 273 g/m durch 48V-Kabel mit 10-Gauge und einem Gewicht von 27 g/m ersetzt werden. Dies reduziert das Kabelgewicht um etwa 85 %. - Entfall der Hilfsbatterie: ~100% Gewichtsreduktion
Eine zonale Architektur mit Leistungsmodulen ermöglicht eine Beschleunigung der transienten Antwort des DC-DC-Wandlers, was eine virtuelle Batterie erzeugt. Daher replizieren zonale 12V/48V-Leistungsmodule die Eigenschaften von 12/48V-Niederspannungsbatterien, während die physische 12V-Batterie vollständig eliminiert wird und somit 100 % des Gewichts eingespart werden. - Optimierung des Stromsystems: ~33% Gewichtsreduktion
Durch den Austausch des zonalen Systems gegen das zentrale System wird die 48V-zu-12V-Stromumwandlung aus der silbernen Box an die Lastpunkte verlagert. Die überarbeitete Stromsystembox, die mit Hochdichte-Leistungsmodulen ausgestattet ist, um 48V-Ausgang zu liefern, wird um bis zu 33 % kleiner sein. Daher kann das Gehäusegewicht um bis zu einem Drittel (33 %) reduziert werden.
Im traditionellen zentralisierten 12V-System erzeugen diskrete Komponenten eine hohe Umgebungstemperatur innerhalb ihrer silbernen Gehäusebox. Die Stromsystembox mit Hochdichte-Leistungsmodulen erzeugt weniger Wärme, und die Lastpunktmodule können effizient auf dem Chassis luftgekühlt werden. Diese Verbesserungen ermöglichen es dem Flüssigkeitskühlsystem, um bis zu 7 % schlanker zu werden.
Bild 3: Leistungsmodule liefern eine schnellere transiente Antwort als 12V-Blei-Säure-Batterien und erzeugen eine virtuelle Batterie, die die alte, schwere 12V-Batterie ersetzen kann.
Gewicht in Chancen umwandeln
OEMs erzielen eine Vielzahl von Vorteilen durch die Verwendung einer zonalen Architektur. Um dies zu verdeutlichen, betrachten wir die Auswirkungen der Gewichtsreduktion auf die Erhöhung der Reichweite. Schwerere Fahrzeuge belasten den Stromverbrauch und die Reichweite.
Jedoch kann zusätzliches Gewicht die Auswirkungen auf die Reichweite mindern, wenn es verwendet wird, um die Batteriegröße zu erhöhen. Die zusätzliche Batterie bietet mehr Energiespeicherung und verbessert die Reichweite.
Bild 4: Das zentrale Gehäuse kann reduziert werden, wenn Leistungsmodule und eine zonale Architektur verwendet werden, da die Wärme an den Endpunkten, an denen 48V in 12V-Lasten umgewandelt wird, effizienter abgeführt werden kann.
In einer Studie von Vicor konnte gezeigt werden, dass eine zonale Architektur, die von Hochdichte-Leistungsmodulen unterstützt wird, das Fahrzeuggewicht um bis zu 18 kg (40 Pfund) reduzieren kann (Tabelle 1). Wenn dieses Gewicht durch 18 kg Batteriezellen ersetzt wird, kann die Reichweite des Elektrofahrzeugs um bis zu 6.437 km pro Jahr erhöht werden, ohne dass eine Netto-Gewichtszunahme erforderlich ist. Dies ist bedeutend, da der durchschnittliche Amerikaner laut Bundesfernstraßenverwaltung im Jahr 2023 22.965 km pro Jahr zurücklegt. Daher kann die Nutzung der 48V-Zonenarchitektur die jährliche Ladezeit um bis zu 30 % reduzieren (Tabelle 2) und die Strecke, die das Fahrzeug mit einer Ladung zurücklegen kann, erhöhen.
Tabelle 1: Eine 48V-Zonenarchitektur in Verbindung mit Hochdichte-Leistungsmodulen spart in kompakten elektrischen SUVs etwa 18 kg (40 Pfund) ein.
Tabelle 2: Erhöhte Reichweite bietet den Fahrern eine größere Strecke pro Ladung und reduziert die benötigten Ladungen pro Jahr.
Innovieren, um zu eliminieren
Elektrofahrzeuge sind übergewichtig, und dieser Trend ist weder nachhaltig noch förderlich für das allgemeine Wachstum von Elektrofahrzeugen. Die zentrale 12V-Architektur, mit ihrer veralteten silbernen Box und diskreten Komponenten, muss auf eine 48V-Zonenarchitektur aktualisiert werden, um das Stromversorgungsnetzwerk und das thermische Managementsystem des Elektrofahrzeugs zu optimieren. Die Umstellung auf eine zonale Architektur kann die Reichweite um bis zu 4000 Meilen pro Jahr erhöhen oder für zusätzliche Sicherheits- oder elektronische Funktionen genutzt werden. Die effizientesten zonalen Architekturen verwenden kleine, leichte Wandler am Lastpunkt. Hoch effiziente, leistungsstarke Module sind die beste Wahl für die Umwandlung von 48V auf 12V. Angesichts der Komplexität der heutigen Automobil-Leistungselektronik müssen OEMs kreativ sein, um Gewicht zu sparen und die Leistung zu steigern. Vicor, der Marktführer in hochleistungsfähigen Leistungsmodulen, ermöglicht Innovation und Kreativität. Vicors kompakte Leistungsmodule, Architekturen und Topologien bieten Automobil-OEMs flexible, skalierbare Stromversorgungslösungen für die Hochspannungsumwandlung im gesamten Fahrzeug. Leicht einsetzbare Leistungsmodule sind die Alternative zu den traditionellen diskreten Designs, die in einem veralteten zentralen Stromversorgungssystem verwendet werden. Kleine, kompakte Leistungsmodule sind auch die offensichtliche und natürliche Ergänzung zu einer 48V-Zonenarchitektur, die das zukünftige Stromversorgungsnetzwerk für die Automobilindustrie darstellt.
Dieser Artikel wurde ursprünglich von Entwurf von Energiesystemen.
