Netz der Zukunft

Die 48-Volt-Technik hilft nicht nur bei der Reduzierung des Turbolochs. Mehr Spannung im Bordnetz steigert auch die Effizienz und den Komfort.

Um die Ausgangslage zu verstehen, hilft ein kleiner Exkurs in die Physik oder ein Rückgriff auf eigene Erfahrungen. Denn wer jemals in strukturell unterentwickelte Regionen reiste, kennt das Problem: Wasserleitungen sind zwar vorhanden, aber der Druck darin reicht bisweilen gerade mal aus, um homöopathische Wassermengen aus dem Hahn rinnen zu lassen. Mit dem Strom ist es ähnlich, und das gilt auch im Auto. Selbst wenn der Vergleich physikalisch nicht ganz wasserdicht ist – wir sagen es einfach mal so: Was beim Wasser der Druck, ist beim Strom die Spannung. Ohne Spannung keine Leistung. Ebenso gilt: Steigende Spannung bedeutet höhere Leistungsfähigkeit. Zugegeben, eine sehr vereinfachte Darstellung.

 

Wobei „wenig“ natürlich relativ zu sehen ist. Eine Spannung von vergleichsweise milden drei Volt reicht für ein Smartphone völlig aus, und in Autos kamen wir mit absolut betrachtet ebenfalls eher niedrigen zwölf Volt lange Jahre problemlos zurecht. Doch infolge der zunehmenden Elektrifizierung wird es allmählich eng: Immer mehr Verbraucher im Auto zapfen ihren Strom aus Lichtmaschine und Batterie, bis zu 150 Elektromotoren und über 100 Steuergeräte speisen sich heute in einem Audi aus dem Bordnetz. Dabei lasten die sogenannten statischen Verbraucher, wie zum Beispiel Heckscheiben- und Sitzheizung oder Heizelemente überhaupt, die von der üblichen Lichtmaschine gelieferte Leistung von bis zu drei Kilowatt nicht selten komplett aus. Doch wenn es – wie im Fall des Audi RS 5 TDI concept – darum geht, die konventionellen Abgasturbolader mit dem extrem dynamischen elektrischen Verdichter zu unterstützen, stößt eine 12-Volt-Anlage endgültig an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit.

 

Aus dieser Not machten die Audi Entwickler eine innovative Tugend und installierten in die Technikträger Audi A6 TDI concept und Audi RS 5 TDI concept parallel zur herkömmlichen 12-Volt-Anlage ein zweites Teilbordnetz mit einer Spannung von 48 Volt. Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hackenberg, Vorstand für Technische Entwicklung der AUDI AG: „Das ermöglicht uns, größere Energiemengen zu übertragen und bildet die Voraussetzung für neue Technologien, mit denen wir mehr Sportlichkeit, Effizienz und Komfort erreichen.“ Den Zuwachs an Dynamik beweist der eTurbo in den Konzeptfahrzeugen mit bärigem Drehmoment und spontanem Ansprechverhalten – und der Effizienzvorteil kommt dabei ebenfalls zum Tragen.

Verdichtete Luft: Die Pfeile zeigen den Weg der Abgase (rot), die nach Abkühlung nicht direkt wieder in den analogen Turbolader gespeist werden, sondern bei zu niedrigem Ladedruck den „Umweg“ über den elektrischen Verdichter (blau) nehmen.
Bis zu 150 Elektromotoren und über 100 Steuergeräte speisen sich heute in einem Audi aus dem Bordnetz.

Wie das? Eine weitere Ausbaustufe bildet der Einbau eines 48-Volt-Riemenstarter-Generators. Gemeint ist damit ein wirkungsgradoptimierter Generator, der den Audi RS 5 TDI concept zum Mild-Hybriden macht und in Verzögerungsphasen mit einer Leistung von 10 Kilowatt mehr als das Vierfache im Vergleich zu aktuellen 12-Volt-Bordnetzen rekuperieren kann. Damit lassen sich pro gefahrenem Kilometer signifikant CO2-Emissionen einsparen und ein Verbrauchsvorteil von 0,4 Litern Kraftstoff pro 100 Kilometer erreichen. Denn die in den Bremsphasen über den Generator gewonnene Energie verursacht keine Erhöhung des Spritverbrauchs. Hinzu kommen diverse positive Nebeneffekte, die die Effizienz des Systems noch steigern: Da die höhere Spannung geringere Leitungsquerschnitte der Verkabelung ermöglicht, reduzieren sich das Gewicht des Kabelsatzes sowie der benötigte Raum für den Einbau im Fahrzeug. Zudem lassen sich mit der hier generierten Energie diverse Nebenaggregate, die bislang in der Regel vom Motor mechanisch angetrieben werden und damit teuren Kraftstoff kosten, bedarfsgerechter elektrisch betreiben. Auch bei der Speichertechnologie geht Audi mit dem 48-Volt-Teilbordnetz neue Wege: Als Energiereservoir bei stehendem Motor steht ein separater Lithium-Ionen-Speicher zur Verfügung. Schließlich dient die höhere Spannung auch der Optimierung von Sicherheit und Komfort. Im Fall von schnellen Ausweichmanövern kann damit mehr Energie für die Lenkunterstützung übertragen werden – und bei zukünftigen Fahrzeugen mit aktiven Fahrwerken lässt sich die Seitenneigung in Kurven wirkungsvoller unterdrücken, weil die Aktoren für die Wankstabilisierung noch schneller und effizienter reagieren.
 


Trotz aller Vorteile
dürfte die 48-Volt-Technik aber bis auf Weiteres nur eine Ergänzung der 12-Volt-Anlage bleiben. Da die meisten Verbraucher mit der niedrigeren Spannung problemlos auskommen, wäre es wirtschaftlich wenig sinnvoll, sie komplett auf einen  48-Volt-Betrieb umzurüsten. In jedem Fall bildet der teilweise Wechsel vom 12-Volt- auf ein 48-Volt-Bordnetz aber einen wichtigen Baustein der Audi Strategie, den Antrieb in verschiedenen Stufen zu elektrifizieren. Die Entwickler im Konzern haben dafür bereits einen skalierbaren Modulbaukasten konzipiert.
 

Mehr Infos:
Dank des 48-Volt-Bordnetzes kann im Audi RS 5 TDI concept zusätzlich zum klassischen Abgas-Biturbo ein dritter, seriell angeordneter elektrischer Lader für Ladedruck sorgen. Statt eines Turbinenrads integriert er eine kleine E-Maschine. Die treibt das Verdichterrad mit maximal 7 kW Leistung innerhalb von 250 Millisekunden auf maximale Drehzahl und garantiert ein hohes Drehmoment auch bei niedrigen Touren.
                                                                                                          

Hermann J. Müller (Text)

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