48-Volt-Bordnetz, Entwicklung 4 Bilder Zoom

Energieversorgung: Wachsende Spannung

In Transportern und leichten Nutzfahrzeugen soll in Zukunft ein zweites Bordnetz mit 48 Volt Spannung zum Einsatz kommen. Damit lassen sich einige Komponenten elektrifizieren, die derzeit noch mechanisch angetrieben werden.

Seit Jahren steigen die Anforderungen an das elektrische System im Fahrzeug, immer mehr Verbraucher und Komfortsysteme belasten das Bordnetz. Das klassische Zwölf-Volt-System stößt längst an Grenzen, neue Technologien indes verlangen nach höherer Spannung. In Zukunft werden daher parallel Bordnetze mit 48 Volt Spannung und höherer Systemleistung eingesetzt. Nicht nur im Pkw, sondern auch in leichten Nutzfahrzeugen.

Mit Einführung des 48-Volt-Bordnetzes wird allerdings nicht das gesamte elektrische System des Fahrzeugs umgestellt. Das klassische Zwölf-Volt-System bleibt erhalten: Instrumente, Schalter, Sicherungen und etwa Scheinwerferlampen werden weiterhin mit Zwölf-Volt-Spannung betrieben. Zusätzlich wird jedoch ein zweites Bordnetz installiert, mit einer Spannung von 48 Volt. Mit diesem lassen sich bestimmte Komponenten elektrifizieren, bei denen das bisher nicht möglich oder unrentabel war.

Elektrische Turbos werden möglich

So lassen sich damit etwa elektrische Turbolader antreiben. Deren Drehzahl ist unabhängig vom Abgasstrom, der nötige Lade­druck und hohes Drehmoment stehen sofort bereit – es gibt kein Turboloch mehr. Dank einer viermal so hohen Systemleistung – 12 kW gegenüber 3 kW eines Zwölf-Volt-Systems – ließen sich auch elektrische Zusatzheizungen effizienter realisieren, ebenso wie Klimaanlagen mit rein elektrisch betriebenen Kompressoren oder elektrische Lenkunterstützungen. Systeme also, die heute überwiegend noch mechanisch angetrieben werden und somit Leistung und Kraftstoff kosten. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem bisherigen System: 48-Volt-Elektromotoren sind bei gleicher Leistung deutlich kleiner und leichter. Bei gleicher Größe leisten sie mehr.

Martin Traub ist Fachreferent beim Technologieunternehmen ITK Engineering. Er sieht die Verbreitung von 48-Volt-Systemen abhängig von der Fahrzeuggröße: "48-Volt-Bordnetze eignen sich vor allem für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge bis zur 3,5-Tonnen-Klasse." Fahrzeuge im Verteilerverkehr, etwa von Paketdiensten, werden besonders von der neuen Technik profitieren, etwa durch Start-Stopp-Systeme. Die kräftigeren 48-Volt-Starter würden schneller auf Anlaufdrehzahl kommen und den Motor entsprechend schneller starten, das zudem mit weniger Vibrationen. Dadurch rückt auch der Segelbetrieb in den Fokus, bei dem der Motor in bestimmten Fahrsituationen abschaltet und Kraftstoff spart.  Diese Technik ließe sich dann auch in leichten Nutzfahrzeugen realisieren.

Start-Stopp eignet sich nur bedingt für Fernverkehr

In schweren Nutzfahrzeugen für den Fernverkehr ergibt ein Start-Stopp-System dagegen wenig Sinn – die Fahrzeuge legen lange Strecken am Stück zurück und werden nur selten gestartet. Ohnehin eignet sich das 48-Volt-Bordnetz kaum für schwere Lkw. Traub erklärt warum: "Die Leistungen, die für elektrische Antriebe von großen Nebenaggregaten aufgebracht werden müssen, sind zu hoch. Die Umstellung des 24-Volt-Bordnetzes heutiger Nutzfahrzeuge auf 48 Volt würde nicht ausreichen." Die Systemleistung von rund 12 kW wäre immer noch zu gering für leistungshungrige Aggregate. Als Beispiel nennt Traub große elektrische Sauglüfter für schwere Lkw.

Diese besitzen teilweise eine Leistung von bis zu 20 kW und würden auch das 48-Volt-Bordnetz überlasten. Hier muss entweder wie bisher ein mechanischer Antrieb zum Einsatz kommen, oder Hochvolttechnik. Sollten die OEMs in Zukunft auch die schweren Nutzfahrzeuge elektrifizieren, geht Martin Traub davon aus, dass direkt auf Hochvoltsysteme mit Spannungen von mindestens 400 Volt übergegangen wird.

Zunehmend wird auch Aluminium als Leitmedium verwendet. Alu- statt Kupferkabel zu verlegen ist eine allgemeine Entwicklung im Fahrzeugbereich, obwohl das Leichtmetall einen schlechteren Leitwert als Kupfer aufweist. Die Kabelquerschnitte müssen dann etwas größer sein.

Aluminium-Kabel verlangen besonderen Einbau

Dennoch bietet Aluminium einen Gewichtsvorteil gegenüber Kupferkabeln. "Eine Herausforderung liegt in der Handhabung bei der Fertigung und der Montage sowie beim Packaging. Aluminiumkabel sind im Vergleich zu Kupferkabel eher spröde und benötigen größere Biegeradien, was bei der Planung und der Verlegung des Kabelbaums berücksichtigt werden muss", sagt Martin Traub und ergänzt: "Zudem oxidiert Aluminium, sodass es zur Steckerkontaktierung eine chemische Vorbehandlung oder spezielle Crimp-Techniken erfordert. Doch die Industrie hat bereits Lösungen hierfür und arbeitet auch weiter an der Vereinfachung der Fertigungsprozesse."

In den Werkstätten wird sich mit der Umstellung auf 48-Volt-Systeme nur wenig ändern. Besondere Qualifikationen für Arbeiten an diesen Bordnetzen sind nicht erforderlich – erst ab einer Gleichspannung von 60 Volt gilt ein System als Hochvoltsystem, für welches besondere Schutzmaßnahmen nötig sind.

Wann der erste 3,5-Tonner mit 48-Volt-Bordnetz als Serienfahrzeug auf den Straßen rollt, ist nicht absehbar. Derzeit arbeiten mehrere Hersteller und Zulieferer an der Umsetzung. Im Pkw-Bereich gibt es in Kürze erste Serienfahrzeuge mit der höheren Spannungsebene. Benötigt werden unter anderem ein modifizierter Kabelbaum, eine zusätzliche Batterie sowie Spannungswandler. Und natürlich die jeweiligen neuen Aggregate, die vom 48-Volt-Bordnetz profitieren sollen. Die Umsetzung soll dennoch möglichst kostenneutral erfolgen.

Bordnetzkonzeptionierung von ITK Engineering

Die Ingenieure von ITK simulieren und planen den generellen Aufbau von Bordnetzen sowie deren Auslegung. Dazu gehören Simulationen, um herauszufinden, welche Aggregate sich auf ein 48-Volt-Bordnetz portieren lassen und welche Kabelquerschnitte dafür nötig sind. Laut Fachreferent Martin Traub wird vor dem Versuchsfahrzeugbau immer mehr simuliert. Dennoch bleibt ein Demonstrator-Aufbau unerlässlich, um die Ergebnisse der Simulationen zu prüfen.

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Continental

Datum

14. Juli 2015
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