48-Volt-Mildhybridsystem

14 / 05 / 2020

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Im Gegensatz zu den wahren Hybrid-Konfigurationen, bei denen das Fahrzeug mit Verbrennungs- und/oder Elektromotor angetrieben wird, wird das 48-Volt-Mildhybridsystem in einem typischen Start-Stopp-Fahrzeug mit der Integration eines 48-Volt-Motors/Generators zur Ergänzung des Motors eingesetzt. Dadurch verbessert sich die Beschleunigungsleistung und der Kraftstoffverbrauch verringert sich.

Zudem reduzieren elektrische Bauteile wie der Klimakompressor, die Lenkhilfepumpe und die Motorölpumpe die Motorlast und erhöhen die Kraftstoffeffizienz.

Mild hybrid vehicle diagram

1 Baugruppe Elektromotor/Generator.
2 AC/DC-Inverter.
3 48-Volt-Batterie.
4 DC/DC-Converter.
5 48-Volt-Stromverteilungseinheit.
6 12-Volt-Batterie.
7 12-Volt-Stromverteilungseinheit.
8 E-Lader

Elektrofahrzeuge mit mehr als 12 Volt sind nichts Neues: Die Automobilbranche zog schon in den 1960er Jahren die Verwendung eines 42-Volt-Systems in Betracht. Dies wurde später verworfen, da man sich Gedanken die Kosten sowie um praktische Belange wie das vorzeitige Versagen Schaltern und Relais machte. Angetrieben vom Umweltgedanken wurde die Option durch den Einsatz moderner Elektronik mit Transitoren, Dioden und robusteren Mikroschaltern tragfähiger.

Weshalb also bei 48 Volt stehen bleiben? Aktuelle Vorschriften kategorisieren alles über 60 Volt offiziell als Hochspannung. Die Notwendigkeit zusätzlicher kostspieliger Abschirmung, Verbinder und Leitungen, wie die orangenfarbenen, die in vielen Hybrid- und Elektrofahrzeugen verbaut sind, führt zu höheren Kosten. Dies bedeutet aber nicht, dass die elektrische Architektur des gesamten Fahrzeuges 48 Volt erreicht. Die herkömmliche 12-Volt-Versorgung wird weiterhin für viele der Standardleitungen verwendet, wie Lichtanlage, Türverriegelung, elektrische Fensterheber und Infotainment-System.

Das verbreitete 48-Volt-Mildhybridsystem umfasst nur eine geringe Anzahl zusätzlicher Bauteile: Baugruppe Elektromotor/Generator, AC/DC-Inverter, DC/DC-Converter, eine 48-Volt-Batterie und ein E-Lader.

Baugruppe Elektromotor/Generator: Der wassergekühlte, riemengetriebene Elektromotor/Generator ersetzt die Lichtmaschine und dient dem Neustart des Motors nach dem Stopp-Start. Der herkömmliche 12-Volt-Anlasser wird für den normalen Start mit dem Zündschlüssel verwendet.

Der Elektromotor/Generator kann den Motor zeitweise unterstützen, um die Beschleunigung zu verbessern und für mehr Kraftstoffeffizienz strategisch die Last zu verringern. Zudem lädt der Elektromotor/Generator im Generatormodus beide Batterien wieder auf, ähnlich wie bei einer herkömmlichen Lichtmaschine, aber auch wenn das Fahrzeug ausrollt oder bremst.

AC/DC-Inverter: Der AC/DC-Inverter kann optional in den 48-Volt-Elektromotor/-Generator integriert werden und hat zwei Funktionen:
Erstens die Umwandlung des Gleichstroms (DC) aus der 48-Volt-Batterie in Wechselstrom (AC), der den Elektromotor/Generator im Motormodus antreibt.

Zweitens die Umwandlung des vom Elektromotor/Generators im Generatormodus generierten Wechselstroms in Gleichstrom, wodurch die 12- und 48-Volt-Batterien aufgeladen werden.

DC/DC-Converter: Da dieses Fahrzeug sowohl 12-Volt- als auch 48-Volt-Systeme enthält, ist ein DC/DC-Converter installiert, um die elektrische Spannung von 48 Volt auf 12 Volt zu reduzieren.

48-Volt-Batterie: Die Lithium-Ionen-48-Volt-Batterie befindet sich generell hinten im Fahrzeug und kann ebenso wie der Elektromotor/Generator das Kühlsystem zur Ableitung von Wärme nutzen.

E-Lader: Der herkömmliche Turbolader wird durch eine elektrische Version, nämlich dem E-Lader, ersetzt. Anstatt dass Abgase den Impeller beschleunigen, treibt ein Elektromotor den Impeller an, was durchgängig für den notwendigen Antrieb sorgt – ohne die bekannten Verzögerungen wie bei Turboladermotoren. Alternativ können auch Superlader elektrifiziert werden, um äquivalente Ergebnisse wie ein Elektromotor, der von einem Turbolader angetrieben wird, zu erreichen.

Das 48-Volt-Mildhybridsystem entwickelt sich stets in Anlehnung an die Abgasvorschriften, zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und Beschleunigung weiter. Aus diesem Grund entwickeln Autohersteller bereits andere intelligente Verbesserungen zur Ergänzung des 48-Volt-Systems. Die folgenden sind nur ein paar Beispiele:

DSF-Technologie („Dynamic Skip Fire“): Integriert eine Zylinderabschaltung mit dem 48-Volt-Mildhybridsystem. Das DSF-System isoliert einen Zylinder, indem die Verbindung der Nockenwellenfolger getrennt wird. Dies schließt die Einlass- und Auslassventile, wenn weniger Strom benötigt wird. Dadurch wird die Kraftstoffeffizienz verbessert.

Erweiterte Start-Stopp-Technologie: Im Gegensatz zu konventioneller Start-Stopp-Technologie, bei der der Motor abgeschaltet wird, wenn das Fahrzeug vollständig zum Stehen kommt, schaltet das erweiterte Start-Stopp-System den Motor auch dann ab, wenn ein Stopp bevorsteht oder wenn das Fahrzeug bei konstanter Geschwindigkeit fährt.

Elektrisch geheizter Katalysator: Um den Schadstoffausstoß zu reduzieren, muss der Katalysator so rasch wie möglich seine Betriebstemperatur erreichen. Hybridsysteme erschweren dies, wenn es häufig zu Start-Stopps kommt oder das Fahrzeug oft im Leerlauf ist. Dies kann aber leicht gelöst werden, indem der Katalysator elektrisch mittels des 48-Volt-Systems geheizt wird.

Motorgetriebene elektrische Zusatzsysteme Wasserpumpe und Klimakompressor sind zwei Beispiele für Bauteile, die elektrifiziert werden können. Dies reduziert das parasitäre Motorschleppmoment und ermöglicht es insbesondere den Bauteilen, ihren eigenen Betriebszyklus auf Grundlage der Anforderungen des Fahrzeuges und Fahrers festzusetzen.

Während das 12-Volt-System somit im Vergleich zu anderen, teureren echten Hybrid-Systemen Probleme hat, bietet die 48-Volt-Mildhybridtechnologie eine kostengünstige Lösung für die Erfüllung der Abgasnormen und den künftigen Anstieg an elektrischen Bauteilen mit hohem Energiebedarf.

Die 48-Volt-Technologie wird wohl in Zukunft immer mehr eingesetzt werden, insbesondere da strengere CO2-Emissionsziele gesetzt und Verbrennungsmotoren weiter rückläufig sein werden.

Mit dem Anstieg der Bekanntheit und Nachfrage nach Hybrid-Elektrofahrzeugen und Elektrofahrzeugen führt Autodata Fahrsystemdiagramme für elektrische und Hybrid-Fahrzeuge ein, um sicherzustellen, dass es führend in der Diagnose und Reparatur von Straßenfahrzeugen bleibt.