Bordnetz ohne 12-V-Batterie

Die Forscher von Silicon Austria Labs und Infineon mit dem Demonstrator. Bilder: SAL

Einem Entwicklerteam ist es gelungen, eine Bordnetzarchitektur für E-Fahrzeuge ohne Starterbatterie zu konzipieren. Wie die neue Architektur aufgebaut ist und wie realistisch die Umsetzung in Serie ist.

Für herkömmliche Systeme wie die Zentralverriegelung gehört in ein E-Fahrzeug neben der HV-Batterie natürlich eine 12-Volt-Batterie. Oder vielleicht doch nicht? Im Fokus eines österreichischen Forschungsprojekts stand nun die Entwicklung einer redundanten Hochvolt-/Niedervolt-Bordnetzarchitektur, die eine flexible und ausfallsichere Energieversorgung in E-Fahrzeugen ermöglicht und dabei langfristig auf die klassische Niedervoltbatterie verzichten kann – entweder komplett oder nur noch mit einer deutlich kleineren Batterie als Backup. An der Entwicklung eines solchen Bordnetzes waren Silicon Austria Labs (SAL), Infineon Technologies Austria und AVL beteiligt. Die Ergebnisse ermöglichen kompaktere, zuverlässigere und fehlertolerantere elektrische Systeme für künftige E-Fahrzeuge, so die Beteiligten.

Sicherer und skalierbarer

Kern des abgeschlossenen zweijährigen Projekts REDSEL ist eine redundante Systemarchitektur mit aktivem Balancing zwischen zwei HV-Batterien, die eine gleichmäßige Lastverteilung sicherstellen und die Betriebssicherheit deutlich erhöhen soll. Zudem wurde ein Leistungselektronikwandler mit mehreren Eingängen entwickelt, der den Angaben nach mit Hilfe eines neuartigen magnetischen Integrationskonzepts besonders kompakt, effizient und platzsparend realisiert werden konnte. Des Weiteren eine Sicherheitsarchitektur für Um- und Abschaltfunktionen, die mechanische Relais durch Halbleiterschalter ersetzt und damit ebenso die Zuverlässigkeit sowie Betriebssicherheit des Systems erhöht und Bauraum sowie Gewicht reduziert, so die Forscher.

Technologisch setzt das Projekt auf moderne Halbleiterlösungen: Auf der Hochvoltseite kommen 750-V-Siliziumkarbid-MOSFETs (CoolSiC) zum Einsatz. Mit MOSFETs sind spannungsgesteuerte Halbleiterbauelemente gemeint, die als elektronische Schalter oder Verstärker fungieren. Auf der Niedervoltseite gibt es erstmals OptiMOS-7-Bauelemente mit 30 V, die den Angaben zufolge gegenüber bisherigen 40-V-Lösungen signifikante Effizienzvorteile bieten. Verbesserte Bordnetzspezifikationen moderner E-Fahrzeuge sollen den sicheren Einsatz dieser frühen Entwicklungsmuster ermöglichen.

Dabei beziehen sich die 750 V und 30 V auf die Spannungsfestigkeit der Halbleiter, nicht auf die Netzspannung selbst, erklärt Forscher Thomas Langbauer von Silicon Austria Labs auf Nachfrage. Das System arbeitet auf der Hochvoltseite mit einem 800-V-Akkupack, das intern in zwei in Serie verschaltete 400-V-Blöcke aufgeteilt ist. Der Konverter ist so an beide Blöcke angebunden, dass er bei einem Ausfall eines Blocks weiterhin mit der halben Leistung aus dem verbleibenden 400-V-Teil versorgt wird.

12 Volt bleibt

Auf der Niedervoltseite handelt es sich immer noch um ein klassisches 12-V-Bordnetz. Die Verwendung der neuen 30-V-Bauelemente (statt der üblichen 40 V) sei hier allerdings der entscheidende Effizienzsprung: Da sie näher an der tatsächlichen Bordspannung operieren, weisen sie geringere Durchlasswiderstände und Schaltverluste auf. Den Angaben nach waren bisher nur MOSFETs mit einer Durchbruchspannung von 40 V verfügbar. Durch die neue OptiMOS-7-Serie mit 30 V verändern sich die elektrischen Eigenschaften des Schalters zugunsten eines besseren Wirkungsgrads, so Langbauer.

Der Demonstrator sei bewusst als 12-V-System ausgelegt, denn so bleibe die Kompatibilität mit aktuellen Bauteilen gewahrt. Den Angaben zufolge ist das Konzept allerdings skalierbar und lässt sich nahtlos auf kommende 48-V-Bordnetze übertragen.

Im Gegensatz zum gescheiterten 42-V-Ansatz von vor rund 30 Jahren (Krafthand berichtete: www.khme.de/42-volt) erzwingt die Technologie keinen harten Umbruch, so der Experte. Vielmehr ermögliche der redundante Konverteraufbau, die 12-V-Batterie massiv zu verkleinern oder – bei entsprechender Absicherung aller Betriebsmodi – langfristig sogar komplett zu eliminieren. Da das Konzept bereits auf Resonanz in der Industrie stoße, sieht das Forscherteam die Umsetzung in künftigen E-Fahrzeugen als realistisch an.