Ausstattungsmerkmale wie Sitz- und Lenkradheizung, hochwertige Infotainmentsysteme und aktive Fahrwerke erhöhen den Strombedarf des Bordnetzes. Dies betrifft nicht nur Luxusmarken, sondern alle Modelle.

Jahrzehntelang reichte eine 12-V-Lichtmaschine aus, um den Strombedarf von Automobilen zu decken. Die traditionelle 12-V-Elektrik, ursprünglich für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor entwickelt, erweist sich jedoch als unzureichend, um den steigenden Anforderungen moderner Elektro- und Hybridfahrzeuge gerecht zu werden. Die Notwendigkeit, die Kraftstoffeffizienz zu steigern, die Energierückgewinnung zu verbessern und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) sowie elektrifizierte Komponenten zu integrieren, treibt die Entwicklung von Stromversorgungssystemen voran, die große Energiemengen effizient bereitstellen können, um den Paradigmenwechsel hin zu Elektro- und Hybridplattformen zu unterstützen.

Umstellung auf ein 48-V-Stromversorgungssystem

Automobilhersteller schreiten stetig beim Übergang zu einem 48-V-Bordnetz voran. Durch den Einsatz eines 48-V-Netzes werden Leistungsverluste aufgrund von Widerstand minimiert, was eine höhere Stromübertragung und eine insgesamt verbesserte Stromversorgung ermöglicht. Die 48-V-Architektur mit ihren dünneren Leitungen führt zu einem leichteren, kostengünstigeren und einfacher zu installierenden Bordnetz im Fahrzeug.

Die Verwendung von 48V bietet folgende Vorteile:

• Es deckt den erhöhten Strombedarf des Fahrzeugs ab – Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybridfahrzeuge (HVs) benötigen mehr Leistung für Antriebs- und Hilfssysteme, wodurch die Leistungsfähigkeit herkömmlicher 12-V-Systeme überschritten wird.
• Energierückgewinnung – Regeneratives Bremsen und andere Energierückgewinnungstechnologien sind in einem 48-V-System effektiver, da sie die Energieeffizienz verbessern und die Reichweite von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen erhöhen.
• Emissionen_CO2- — Der Übergang zu 48-V-Systemen trägt zu einer erhöhten Kraftstoffeffizienz und reduzierten Kohlenstoffemissionen im Einklang mit den globalen Umweltzielen bei.
• Höhere Effizienz – Ein System mit höherer Spannung verringert die Stromstärke, minimiert die Widerstandsverluste und verbessert die Effizienz der verteilten Energieversorgung.

Bewertung eines 48-V-Zonenstromversorgungsnetzes

Ein 48-V-Zonenarchitektursystem stellt einen Paradigmenwechsel für die Branche dar und nutzt das Ohmsche Gesetz: Die DC/DC-Wandlung erfolgt näher an den Ladepunkten als in einem zentralen Steuergerät. Dies ermöglicht die sichere Verteilung der 48 V im gesamten Fahrzeug. Die Wandlung von 48 V auf 12 V findet am Ladepunkt statt. Durch die Verwendung von 48 V anstelle von 12 V können die Kabel dünner, leichter und kostengünstiger sein (Abbildung 1). Dieses kleinere, flexiblere Kabel lässt sich zudem einfacher im Fahrzeug verlegen. Diese Methode verteilt außerdem die von den DC/DC-Wandlern erzeugten Wärmeverluste gleichmäßig im Fahrzeug und ermöglicht potenziell den Einsatz von fahrgestellseitiger Wärmeleitung und Luftkonvektionskühlung.

Abbildung 1. Moderne Autos nutzen zwei Arten von Bordnetzen: die zentrale 12-V-Architektur (links) und die sich rasant verbreitende 48-V-Zonenarchitektur (rechts). Erstere benötigt dicke 12-V-Kabel, während letztere dünne 48-V-Kabel verwenden kann, die deutlich leichter sind, geringere Wärmeverluste aufweisen und nur ein Viertel des Stroms führen.

Implementierung einer 48-V-Zonenstromversorgungsarchitektur

Die Implementierung der 48-V-Zonenarchitektur kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann in Mild-Hybrid-Systemen eine 48-V-Batterie zusätzlich zur vorhandenen 12-V-Batterie eingesetzt werden. Bei Elektrofahrzeugen mit einer oder mehreren 800-V- oder 400-V-Batterien können Leistungsmodule verwendet werden, um diese Spannung auf 48 V zu transformieren und so eine simulierte oder „virtuelle“ 48-V-Batterie zu erzeugen.

Tesla setzt wie andere große Unternehmen auf diese Technologie und plant, seine gesamte Fahrzeugflotte mit 48 V auszustatten. Das erste Modell, das damit ausgestattet wird, ist der Cybertruck. Dank einer 48-V-Zonenarchitektur und fortschrittlicher DC/DC-Wandler trägt Teslas höhere Umwandlungseffizienz dazu bei, Volumen und Gewicht der Verkabelung zu reduzieren. Die 48-V-Zonenarchitektur verteilt die 48 V im gesamten Fahrzeug und wandelt sie an den Enden in 12 V um.

Berechnung der Einsparungen durch die 48-V-Zonenarchitektur

Die 48-V-Zonenarchitektur unterstützt die gestiegenen Anforderungen von Elektrofahrzeugen besser und reduziert das Fahrzeuggewicht auf drei wesentliche Arten.

1. Reduzierung des Kabelgewichts um 85 %:
   Die Umstellung auf eine 48-V-Zonenarchitektur bedeutet den Austausch herkömmlicher 12-V-Kabel (4 AWG, 273 g/m) durch 48-V-Kabel (10 AWG, 27 g/m). Dadurch wird das Kabelgewicht um ca. 85 % reduziert.
2. Wegfall der Zusatzbatterie:
   Leistungsmodule in einer Zonenarchitektur reagieren sehr schnell auf Lastwechsel und ermöglichen so die Realisierung einer virtuellen Batterie. Diese Leistungsmodule bilden die Eigenschaften von 12/48-V-Niedervoltbatterien nach und bieten die Möglichkeit, die physische 12-V-Batterie zu ersetzen. Dadurch wird das Gewicht um mindestens 13 kg reduziert.

Abbildung 2. Die zentrale Struktur kann durch Leistungsmodule und eine Zonenarchitektur reduziert werden, da die Wärme bei der Umwandlung von 48-V- in 12-V-Lasten an den Enden effizienter abgeführt werden kann.

 3. 33 % Einsparung durch kleineres Gehäuse.
Durch den Austausch eines zentralen Systems gegen ein zonales System wird die 48-V-zu-12-V-Wandlung vom Gehäuse an die Ladepunkte verlagert. Das neue Stromversorgungsgehäuse für Hochleistungs-Leistungsmodule mit 48 V kann bis zu 33 % kleiner ausfallen. Dadurch lässt sich sein Gewicht um bis zu ein Drittel (33 %) reduzieren.

Im herkömmlichen zentralen 12-V-System erhöhen diskrete Bauteile die Umgebungstemperatur im Gehäuse. Das Stromversorgungsgehäuse mit Hochleistungs-Leistungsmodulen erzeugt weniger Wärme, und die Module an den Ladepunkten können das Gehäuse effizient mit Luft kühlen. Diese Verbesserungen ermöglichen eine Gewichtsreduzierung der Flüssigkeitskühlung um ca. 7 %.

48-V-zu-12-V-DC/DC-Wandler sind unerlässlich für die Optimierung eines 48-V-Zonenstromnetzes. Diese Hochleistungs-Leistungsmodule sind kompakt, leicht und hocheffizient. Die Hochleistungs-Leistungsmodule von Vicor unterstützen Automobilhersteller dabei, die Vorteile von 48 V zu nutzen und gleichzeitig Platz und Gewicht zu minimieren. Das Produktsortiment von Vicor umfasst Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis und geregelte Wandler für 48-V- und 12-V-Lasten, die im Abwärts- oder Aufwärtswandlerbetrieb arbeiten. Diese Wandler können in einem einzigen Gehäuse installiert oder im gesamten Fahrzeug verteilt werden, um ein kompakteres und leichteres 48-V-Stromnetz zu realisieren.

Diese Module optimieren, in Verbindung mit einer dezentralen Zonenarchitektur, das Stromversorgungsnetz des Fahrzeugs.

Leistungsmodule können das Fahrzeuggewicht um bis zu 18 kg reduzieren (Tabelle 3). Wird dieses Gewicht durch 18 kg Batteriezellen ersetzt, lässt sich die Reichweite des Elektrofahrzeugs um ca. 6.400 km pro Jahr erhöhen, ohne dass sich das Gesamtgewicht erhöht.

Dies ist wichtig, da beispielsweise der durchschnittliche US-amerikanische Autofahrer laut der Federal Highway Administration im Jahr 2023 23.000 km zurücklegte. Eine 48-V-Zonenarchitektur könnte daher die jährliche Fahrstrecke um 28 % erhöhen und die jährliche Ladezeit um bis zu 30 % reduzieren (Abbildung 4).

Gewichtsreduzierung durch Zonenarchitektur erreicht

Abbildung 3. Durch die Verwendung einer 48-V-Zonenarchitektur zusammen mit hochdichten Leistungsmodulen kann das Gewicht eines kompakten elektrischen SUV um bis zu 18 kg reduziert werden.

Der Wunsch der Verbraucher nach Komfort und Stil treibt die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen an. Um den hohen Strombedarf im gesamten Fahrzeug zu decken, benötigen Elektrofahrzeuge eine effizientere Energienutzung. 48 V sind derzeit praktisch die einzige Option, um diese wachsende Nachfrage zu befriedigen. Obwohl die Umrüstung Kosten verursacht, bietet eine zonierte 48-V-Architektur mit Leistungsmodulen langfristig deutlich mehr Vorteile und eine höhere Rendite.

30 % weniger Ladezeit pro Jahr

Abbildung 4. Eine höhere Autonomie ermöglicht eine größere Reichweite pro Ladung und reduziert die Anzahl der Ladungen pro Jahr.

Die effizientesten Zonenarchitekturen nutzen kleine, leichte Wandler direkt am Ladepunkt. Hochdichte, hocheffiziente Module sind die beste Wahl für die 48-V-zu-12-V-Wandlung. Vicor, führend im Bereich Hochleistungs-Leistungsmodule, fördert Innovation und Kreativität. Die kompakten Leistungsmodule, Architekturen und Topologien von Vicor bieten Automobilherstellern flexible und skalierbare Stromversorgungslösungen für die Hochspannungsumwandlung im gesamten Fahrzeug.

Im Wettlauf um 48 V ist Teslas Cybertruck wegweisend für andere Hersteller. Tesla hat den Übergang von 12 V auf 48 V erfolgreich vollzogen, und andere werden folgen und dabei Verbesserungen einführen. Leistungsmodule sind einfach zu installieren und bieten eine Alternative zu den herkömmlichen diskreten Designs zentralisierter Stromversorgungssysteme. Hochdichte Leistungsmodule sind klein und kompakt und daher die naheliegende Wahl und eine natürliche Ergänzung für eine 48-V-Zonenarchitektur – das Stromnetz der Zukunft für die Automobilindustrie.

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