Elektrofahrzeuge: 48V sind die neuen 12V

Elektrofahrzeuge (E-Mobilität) sind vielleicht eine der größten Herausforderungen, denen sich Technologieunternehmen und Verbraucher in den letzten Jahren stellen mussten. Es besteht ein zunehmender Bedarf an umweltfreundlichen Systemen, die die Art und Weise, wie wir uns fortbewegen, revolutionieren. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass die neuen grünen Technologien in Bezug auf Preis und Leistungsfähigkeit so effizient und effektiv wie möglich sind.

Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die Fahrzeughersteller die immer strengeren CO₂-Emissionsnormen einhalten und gleichzeitig die Fahrzeugleistung steigern. Diese große Herausforderung wird durch die Elektrifizierung mithilfe reiner Elektrofahrzeuge (EVs), Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor bewältigt. Das Hinzufügen von Batterien mit höherer Spannung, wie 48V, 400V und 800V, um den gestiegenen Leistungsanforderungen gerecht zu werden, hat wiederum die Komplexität der Stromversorgungsarchitekturen erhöht und neue Anforderungen in Bezug auf Größe und Effizienz gestellt.

Mild-Hybrid-elektrische Fahrzeugsysteme (MHEV) sind das Tor zur Elektrifizierung. Sie werden auch als Light-Hybrid-Antrieb bezeichnet und werden zum exponentiellen Wachstum der Hybridmodelle beitragen. MHEV ist in der Lage, die Energie des Fahrzeugs beim Bremsen zurückzugewinnen und liefert Energie beim Neustart des Fahrzeugs, was den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen verringert.

Ein zweiter Elektrifizierungsansatz für HEV-Modelle besteht darin, dass ein Elektromotor mit dem Verbrennungsmotor zusammenarbeitet, so dass das Fahrzeug für einige Kilometer zu 100% im Elektromodus fahren kann. Eine weitere beliebte Alternative ist das Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV), bei dem die Batterie über das Stromnetz aufgeladen werden kann und sich die Reichweite bei Null-Emissionen auf etwa 50 Kilometer erhöht. In diesem Fall ist die Elektrifizierung deutlich höher als bei MHEV- und Hybridtechnologien - ebenso wie die Anschaffungskosten -, und es kommen Dutzende PHEV-Modelle auf den Markt.

Batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) haben keinen Verbrennungsmotor und werden stattdessen durch eine Kombination aus Wechselrichter und Elektromotor angetrieben. BEVs können über das Stromnetz und während der Rekuperation beim Bremsen wieder aufgeladen werden. Unter den Elektroautos gibt es auch Fahrzeuge mit verlängerter Reichweite (EREVs), bei denen ein kleiner Verbrennungsmotor ausschließlich als Stromgenerator dient, um die Batterien bei niedrigem Ladezustand wieder aufzuladen. Die letzte Kategorie stellen die Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) dar, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden.

Die Lösung könnte nicht nur in neuen Energiespeichertechnologien wie Festkörperbatterien oder Wasserstoff-Brennstoffzellen liegen, sondern auch in einer verbesserten Effizienz der Autos durch Gewichtsreduzierung und neue elektrische Architekturen.

Heutige Herausforderungen der Elektrifizierung

"Die heutigen Herausforderungen bei der Elektrifizierung sind folgende: Kosten niedrig halten, aggressive CO₂-Emissionsziele erfüllen, Änderungen der Leistungsanforderungen bewältigen, alte 12-V-Lasten mit Strom versorgen, leichtere, leistungsfähigere Fahrzeuge liefern, höhere Leistungsstufen, schnellere Ladezeiten und die Verwaltung höherer Spannungen von 800-V- und 400-V-Batteriesystemen", erklärt Patrick Wadden, Global VP Automotive Business Development bei Vicor.

Die Hersteller von Pkw, Lkw, Bussen und Motorrädern elektrifizieren ihre Fahrzeuge zunehmend, um die Kraftstoffeffizienz von Verbrennungsmotoren zu erhöhen und die CO₂-Emissionen zu senken. Es gibt viele Möglichkeiten der Elektrifizierung, aber die meisten Hersteller entscheiden sich eher für ein 48-Volt-Mild-Hybrid-System als für einen Voll-Hybrid-Antriebsstrang. Beim Mild-Hybrid wird eine 48-Volt-Batterie neben der herkömmlichen 12-Volt-Batterie eingebaut.

"Im Fahrzeug befindet sich entweder eine 800- oder eine 400-Volt-Batterie. Vicor entnimmt entweder die 800- oder die 400-Volt-Batterie und wandelt die Spannung in 48 Volt um, um Verbraucher wie den elektrischen Turbo, die Frontscheibenheizung und die Kühlpumpen zu betreiben. Systeme, die von der 800- oder 400-Volt-Batterie gespeist werden, haben die Möglichkeit, die 48-Volt-Batterie vollständig zu eliminieren und eine virtuelle 48-Volt-Batterie zu schaffen. Der Wegfall der 48-V-Batterie bietet dem OEM eine höhere Leistungsdichte, Gewichts- und Größeneinsparungen und ermöglicht so eine höhere Fahrzeugreichweite. Diese Lösungen sind skalierbar und eignen sich daher für Fahrzeuge der Einstiegsklasse bis hin zur Luxusklasse", so Wadden.

48V verteilen die Leistung effizient

Die 48V-Technologie erhöht die Leistungsfähigkeit um das Vierfache (P = UxI), was für schwerere Lasten, wie z. B. die Klimaanlage und den Katalysator beim Anfahren, genutzt werden kann. Zur Steigerung der Fahrzeugleistung kann das 48-V-System einen Hybridmotor antreiben, der für eine schnellere und sanftere Beschleunigung sorgt und gleichzeitig Kraftstoff spart.

"Die Überwindung des Zögerns, das seit langem bestehende kostenoptimierte 12-Volt-Stromversorgungsnetz (PDN) zu ändern, könnte die größte Herausforderung sein", sagt Wadden. Und weiter: "Für die Automobilindustrie bietet ein 48-Volt-Mild-Hybrid-System die Möglichkeit, schnell neue Fahrzeuge mit geringeren Emissionen, größerer Reichweite und höherem Benzinverbrauch auf den Markt zu bringen, die zudem praktisch sind. Es bietet auch neue und aufregende Designoptionen für höhere Leistung und Funktionen bei gleichzeitiger Reduzierung der CO₂-Emissionen."

Die überwiegende Mehrheit der zentralisierten DC-DC-Wandler ist sperrig und schwer, da sie alte PWM-Niederfrequenz-Schaltkreise verwenden. Eine modernere Architektur, die in Betracht gezogen werden sollte, ist die dezentrale Energieversorgung (Bild 4) mit Leistungsmodulen.

"Die Vorteile eines dezentralen Modells lassen sich auf Systemebene mit einer leichteren Verkabelung rund um das Fahrzeug noch besser nutzen: Es gibt einige Vorteile, wenn der Wandler so nah wie möglich an der Last platziert wird, um Impedanz und Widerstand zu minimieren, einige der Kühlmethoden können vereinfacht werden und in einigen Fällen kann auf eine Kühlplatte oder Flüssigkeitskühlung verzichtet werden. Die Möglichkeit, funktionale Sicherheit mit mehr Optionen und Flexibilität zu implementieren, kommt ins Spiel", so Wadden.

Diese Stromversorgungsarchitektur verwendet kleinere 48-V-zu-12-V-Wandler mit geringerem Stromverbrauch. Die dezentralisierte Stromversorgungsarchitektur bietet erhebliche Vorteile für das Wärmemanagement in einem Stromversorgungssystem.

"Schauen wir uns ein zentralisiertes System im Vergleich zu einem dezentralisierten System näher an. Auf der linken Seite sehen wir ein herkömmliches 3-kW-System mit einem 400-V-Eingang und einem 12-V-Ausgang, der 12-V-Lasten im Fahrzeug versorgt. Rechts ist ein Beispiel für die Verwendung von 48V zu sehen: Der Wandler ist direkt am Ort der Last platziert, das dezentrale Modell kommt ohne das herkömmliche System aus und verteilt die Energie nach Bedarf im Fahrzeug. Dies ermöglicht auch die Implementierung von ASIL FUSA mit redundanter Versorgung. Da der Strombedarf steigt, wird es immer schwieriger, ihn zu bewältigen, und es ist keine Option, weiterhin diese älteren, traditionellen Systeme", so Wadden.

Neue 48-Volt-PDNs müssen alte 12-Volt-Lasten mit erhöhtem Leistungsbedarf und neue kabelgebundene Antriebs-, Lenk- und Bremssysteme mit hoher Leistung unterstützen. Die Bereitstellung von mehr 48-V-Leistung mit einer steigenden Anzahl von Lasten erfordert Module mit hoher Dichte im Vergleich zu größeren, sperrigeren diskreten Lösungen. Vicor bietet verschiedene Module für die Stromversorgung mit 48V an. Dazu gehören Lösungen mit festem Übersetzungsverhältnis und geregelte Wandler, die sowohl 48V- als auch 12V-Lasten im Buck- oder Boost-Modus unterstützen. Diese Wandler können in einem einzigen Gehäuse untergebracht oder mit einem kleineren und leichteren 48-V-PDN im Fahrzeug verteilt werden.

Das NBM-Modul von Vicor wird in einer dezentralisierten Architektur eingesetzt, wenn OEMs Spannungswandlerstufen im Fahrzeug platzieren müssen, die der Last am nächsten sind und entweder 48 V auf 12 V herunter- oder 12 V auf 48 V hochwandeln.

Bei der Verwendung von 400V- und 800V-Ladestationen erfordert die Kompatibilität des Fahrzeugs mit jeder Station eine möglichst einfache und vor allem effiziente Wandlerlösung. Das NBM6123 bietet eine 6,4-kW-Leistungswandlung mit festem Verhältnis von 400 V und 800 V in einem 61 mm x 23 mm CM-ChiP-Gehäuse und ermöglicht eine skalierbare, hocheffiziente Lösung mit hoher Dichte für die Kompatibilität zwischen Ladestationen am Straßenrand und verschiedenen Fahrzeugen. Die bidirektionale Funktion der Vicor-Lösungen ermöglicht es, dasselbe Modul für die Aufwärts- oder Abwärtswandlung zu verwenden. Das NBM6123 kann auch für die Stromversorgung der Fahrzeugklimatisierung während des Ladevorgangs verwendet werden, was den Batterieausgleichsschaltkreis minimiert.

Fazit

Die Entwicklung hin zur Elektrifizierung von Fahrzeugen nimmt heute viele Formen an, und ihre Stromversorgung ist kompliziert. Ein Fahrzeug besteht aus vielen verschiedenen Systemen, die alle unterschiedliche Anforderungen an die Stromversorgung haben können. Ein modularer Stromversorgungsansatz ist von Natur aus flexibler und skalierbar und kann eine Vielzahl dieser Herausforderungen meistern. Die hochleistungsfähigen Lösungen von Vicor sind klein und leicht und für die Stromwandlung, das Aufladen und die Bereitstellung von Energie für jedes System konzipiert.