48 Volt Bordspannung: Mildhybrid, Technik - Mehr Strom für den Verbrenner

Aachen – Ein Tritt aufs Pedal und das Auto summt los. Leise, kraftvoll, ruckfrei. Kennt man von Elektroautos. Doch unter der Haube arbeitet ein Benziner, ergänzt um eine kleine E-Maschine. Der Startergenerator hilft dem Benzinmotor mit einem Boost, und das Auto fährt teilelektrisch. Mildhybrid nennen die Hersteller diese Systeme, die mit einer Bordspannung von 48 Volt arbeiten – neben dem herkömmlichen 12-Volt-Netz.

„Die Nutzung einer höheren Bordnetzspannung von 48 Volt, die sicher unterhalb der Hochvoltgrenze von 60 Volt liegt und somit geringere Sicherheitsauflagen hat, entwickelt sich zu einem langfristigen Trend“, sagt Professor Stefan Pischinger, Institutsleiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen University. Das 48-Volt-Bordnetz erhöht die elektrischen Leistungs- und Energiereserven, ohne dass die konventionellen Antriebe neu entwickelt werden müssen. Das erlaubt den Einbau neuartiger Zusatzaggregate mit hohem elektrischen Energiebedarf.

Der SQ7 ist der erste Serien-Audi mit der neuen Technik Quelle: Audi Mit 48 Volt lässt sich zum Beispiel ein Riemenstarter (Audi) oder ein Kurbelwellen-Startergenerator (Mercedes) antreiben – für eine effektivere Unterstützung des Motors. Für Spritspar-Zwecke nutzen die Hersteller längst das 12-Volt-Bordnetz: Es erlaubt die Speicherung von Bremsenergie (Rekuperation), das Abschalten des Verbrennungsmotors während der Fahrt (Segeln) und einen sehr schnellen Motorstart.

Neue Aggregate, neue Bauformen

„Allerdings sind die Leistungen bei 12-Volt-Systemen mit etwa 2-3 kW begrenzt“, sagt Professor Pischinger. Eine Erhöhung der Spannung auf 48 Volt ermöglicht bis zu 25 kW. Das erlaubt neben der Rekuperation auch eine Lastpunktverschiebung beim Motor, bis hin zum rein elektrischen Fahren. Auf dem Weg zur breitentauglichen Elektrifizierung erweise sich die Einführung eines 48-V-Bordnetzes immer mehr als erster Schritt, als „Einstiegs“-Hybridisierung.

Ein weiterer Vorteil von 48-Volt-Systemen: Der Einsatz von elektrischen Turboladern, sogenannten elektrischen Verdichtern, wird möglich. Das elektrisch angetriebene Aggregat unterstützt den Turbolader bei niedrigen Drehzahlen und dynamischen Lastwechseln, was das Ansprechverhalten verbessert und den Verbrauch senkt. Zudem arbeiten Sauglüfter, Wasserpumpe und Klimakompressor effizienter mit 48 Volt als mit Riemenantrieb über den Motor.

Mercedes nutzt beim neuen Sechszylindermotor mit integriertem Startergenerator (ISG) diese Vorzüge auch beim Packaging. Die Aggregate müssen nicht mehr vorn am Motor positioniert werden, was die Baulänge des Motors reduziert und Gewicht spart. Beim Vierzylindermotor von Mercedes soll künftig ein riemengetriebener Startergenerator (RSG) zum Einsatz kommen.

„Ein 48-Volt-System in Kombination mit einem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter sorgt für hervorragende Leistungsentfaltung ohne Turboloch“, sagt Oliver Vollrath, Projektleiter Antriebe bei der Daimler AG. Durch die Boost-Funktion sei das zusätzliche Drehmoment aus dem E-Motor innerhalb von Sekundenbruchteilen abrufbar.

BMW: 48 Volt ab 2020

BMW-Entwicklungschef Klaus Fröhlich geht davon aus, dass in den nächsten Jahren 12-V-Systeme in kleineren Fahrzeugen und 48-V-Systeme in mittleren und großen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Denn die stärkeren Netze versprechen eine CO2-Reduzierung zwischen fünf und sieben Prozent. BMW plant in etwa zwei Jahren den Einsatz der Technik in Dieselfahrzeugen mit Hinterradantrieb. Bis 2025 sollen alle Neufahrzeuge mit den neuen Systemen ausgestattet sein.

Produktion von 48-Volt-Elektromotoren bei Continental in Nürnberg (Bayern) Quelle: dpa / Picture Alliance „Antrieb und Zukunft sind elektrisch“, sagt Nikolai Ardey, Leiter Entwicklung Antrieb bei Audi. Doch der Verbrenner sei weiter wichtig, weil er in den Bereichen Reichweite, Verbrauch und Kosten-Nutzen-Verhältnis unschlagbar sei. Audi installierte schon beim SQ7 TDI ein 48-Volt-Teilbordnetz. Es versorgt den elektrisch angetriebenen Verdichter. Künftig kann ein wassergekühlter Startergenerator mit bis zu 12 Kilowatt die Batterie laden und über einen Riemen auf die Kurbelwelle den Motor mit bis zu 60 Newtonmeter unterstützen.

Das soll bis zu 0,7 Liter Kraftstoff auf 100 Kilometer sparen. Erstmals wird das System im neuen Audi A8 integriert. Bis 2020 sollen alle neuen Audi-Modelle elektrifiziert sein. 48 Volt bekommen vor allem die Sechs- und Achtzylindermotoren. Vierzylindermotoren arbeiten eher mit 12-Volt-Netzen. Der luftgekühlte Riemenantrieb unterstützt dort mit bis zu 6 kW. 48 Volt wird es trotzdem bei einigen kleinen Motoren geben. VW will im Golf 8 (ab 2019) damit anfangen.

48 Volt nur ein Baustein

Prognosen gehen davon aus, dass bis 2025 nur 15 bis 25 Prozent reine Elektroautos unterwegs sein werden. „Mittelfristig werden weiterhin konventionelle Verbrennungsmotoren – ob als Teil von Hybridsystemen, Range-Extender oder alleiniger Antrieb – die Mobilität bestimmen. Optimierungen mit Blick auf Schadstoffemissionen und -verbrauch sind daher nicht nur sinnvoll, sondern zwingend notwendig“, sagt Professor Pischinger.

Nach Meinung des Experten liegt die Zukunft in der Elektrifizierung von Antrieben. Das schließe die 48-Volt-Hybridisierung ein, wie die Plug-in-Hybridisierung und die reine Elektromobilität. „Die 48-V-Technologie ist nur einer der Bausteine, durch die Verbrennungsmotoren weiter optimiert werden können“, sagt Professor Pischinger.

Ziel einer ausgewogenen Strategie müsse es sein, bedarfsgerechte Antriebslösungen zu bieten, die eine nachhaltige und saubere Mobilität gewährleisten. Zielführend sei deshalb ein Mix aus Elektrifizierung, optimiertem Verbrennungsmotor und synthetischen Kraftstoffen, findet der Professor. Ob die Politik das auch so sieht?