12/48V power supply system architectures and 48V components Archive - EEHE

Die Einführung der CO2 Emissionsgrenzen in Europa sowie der Anstieg der installierten elektrischen Leistung in zukünftigen Fahrzeugen sind Auslöser für die Entwicklung neuer Systemlösungen. Das 12/48 V Bordnetz ist ein Ergebnis dieser Entwicklung. Durch die Erweiterung des 12 V Netzes um eine weitere 48 V Spannungsebene bestehend aus E-Maschine, Batterie und DC/DC können neue Funktionen realisiert werden, die die Einhaltung der geforderten Emissionsgrenzen unterstützen. Zudem steht mehr Leistung für die Versorgung von Verbraucher zur Verfügung. Bereits in den kommenden Jahren wird eine erste Variante der 12/48 V Bordnetzarchitektur von einigen Fahrzeugherstellern in Serie gebracht. Die erhöhte Rekuperationsleistung /-energie eines 48 V Systems im Vergleich zu einem heutigen 12 V System trägt dabei entscheidend zur Reduzierung der CO2 Emissionen bei, da diese Energie nicht über den Verbrennungsmotor erzeugt werden muss. Des Weiteren können durch die zusätzlichen Systemfreiheiten neue Fahrfunktionen, wie Coasting, eBoost und eLaunch, umgesetzt und die CO2 Emissionen weiter gesenkt werden. Der Erweiterung der Fahrfunktionen steht jedoch der steigende Grad der Elektrifizierung gegenüber. Zukünftige Bordnetze sollen mit weiteren elektrischen Komponenten, wie zum Beispiel dem elektrischen Klimakompressor, dem elektrischen Heizkatalysator oder einem elektrischen Kompressor, ausgestattet werden. Die heutige Auslegung von 48 V Systemen ist meist auf CO2 Reduzierung optimiert. Werden diesem System weitere elektrische Verbraucher hinzugefügt, kann dies zu einer Erhöhung der CO2 Emissionen führen und zu einer Destabilisierung des Bordnetzes führen. Zur Ermittlung der Querbeziehungen zwischen dem steigendem Funktionsumfang und der steigenden Elektrifizierung von Nebenverbrauchern wurden sowohl Simulationen als auch Messungen an einem 48 V P2 Hybridfahrzeug, bei unterschiedlichen Fahrsituationen und mit variierendem Bordnetzverbrauch, durchgeführt. Basierend auf diesen Ergebnissen werden die Grenzen und Möglichkeiten von zukünftigen 12/48 V Bordnetzen genauer betrachtet, analysiert und im Rahmen des Vortrages dargestellt.

Autor: M. Eng. Stephanie Preisler
Co-Autor: Rainer Knorr
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BATman is a low power Battery Managment System, which calculates important battery values like state of health, state of charge and state of function. BATman provides the user the opportunity of monitoring the state of the cars battery during the runtime. The measurement parameters voltage and current for calculation are detected by an AS8510 measurement device, which communicates with an Atmel AT32UC3C microcontroller unit (MCU) via SPI. It gets the data with a frequency of 8 kHz for each value. To determine the values a shunt resistor is connected to the battery. The third parameter is the temperature, which is measured with an internal analog digital converter of the MCU. The ADC scales the voltage on a PT100 resistor. The MCU calculates the battery values after getting an interrupt from the measurement device. There are different ways of calculation for the different parameters. The SOC is determined with coulomb counting on one side and about the neutralvoltage on the other side. The SOH is calculated with the internal resistance of the battery. The values are stored in two different sorts of memories. The first memory is a SD-Card for storing data for the user in short time intervals. The second memory is an EEPROM. The EEPROM protects the software parameters in case of supply interruption. The microcontroller communicates with the SD-Card via SPI, too. The communication between EEPROM and controller comes about I2C. The user can access the battery data by connecting to BATman with Bluetooth. The user can set a real time clock which is supported by a 32 kHz oscillator. The Bluetooth IC works as data pump like a serial interface and it is connected with SPI to the microcontroller. For communication with other devices in automotive surrounding BATman includes a CAN communication unit, and allows the integration of LIN as well. An implemented USB socket allows a simplified programing of the MCU with a computer.

Autor: Philip Dost
Co-Autoren: Carsten Bindig, Constantinos Sourkounis
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Eine Schlüsseltechnologie um zukünftige Emissions- und Verbrauchsziele zu erreichen, ist die Elektrifizierung von Antriebssträngen. Zusätzlich zur Optimierung bewährter 12 V Micro-Hybrid-Technologien und Hochvolt Plug-In-Hybridkonzepten bietet insbesondere die 48 V Mildhybridisierung ein hohes Potential zur Effizienzsteigerung. Die Technologie erfordert lediglich einen moderaten technologischen und finanziellen Mehraufwand, da im Vergleich zur Hochvoltelektrifizierung keine ganzheitliche Überarbeitung des Antriebsstranges erforderlich ist. In dem FEV 48 V Mild-Hybrid Demonstrator wird ein 12V/48V-Dualbatterie-Bordnetz umgesetzt. Basisfahrzeug ist ein Mercedes A 45 AMG 4MATIC mit 7-Gang Doppelkupplungsgetriebe. Das Fahrzeug ist serienmäßig mit einem direkteinspritzenden 2 Liter Ottomotor ausgestattet, der über einen Twin-Scroll-Abgasturbolader aufgeladen wird. Zur Optimierung der Low-End-Torque Performance kommt ein elektrischer Zusatzverdichter zum Einsatz. Die 14 V Lichtmaschine wird durch die 48 V Boost-Recuperation-Maschine (BRM) von Bosch mit entsprechenden Anpassungen des Riementriebs ersetzt. Ein 48 V Batteriepack auf Lithiumeisenphosphatbasis wird über einen bidriektionalen DC/DC-Wandler an das konventionelle Bordnetz gekoppelt. Das 48 V System mit BRM und leistungsfähiger Batterie ermöglicht viele Freiheitsgrade beim Energiemanagement und hohe Rekuperationsraten. Die rekuperierte Bremsenergie findet wahlweise im Antrieb des elektrischen Verdichters, der BRM oder in der Energieversorgung des konventionellen Bordnetzes Verwendung. Der Demonstrator wird zur Analyse und Optimierung der Wechselwirkungen zwischen den Leistungskomponenten im 48 V Bordnetz eingesetzt. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen liegt insbesondere in der gezielten Regelung der BRM Zustandsübergängen, wie sie beispielsweise in Verbindung mit einem Segelmodus auftreten. Darüber hinaus wird unter anderem die Low-End-Torque Kompensation mittels Zusatzverdichter und BRM des Downsizing-Konzeptes, wie auch das elektrische Energiemanagement detailliert untersucht.

Autor: Philip Griefnow
Co-Autoren:
Savelsberg, Rene (RWTH Aachen University, 52074 Aachen, Germany),
Stapelbroek, Michael, Dr.-Ing. (FEV GmbH, 52074 Aachen, Germany) ,
Peck, Rainer, Dr.-Ing. (Robert Bosch Starter Motors Generators GmbH, 70442 Stuttgart,  Germany), Trzebiatowski, Tobias, Dr.-Ing. (Robert Bosch Starter Motors Generators GmbH, 70442  Stuttgart, Germany)

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Among the various hybridization levels, the 12+12 volts affordable architecture represents the basic architecture allowing the benefits of hybridization, thanks to the energy recovery during braking. The 12+48V electrical architecture is an easy way to enhance 12+12V functionalities and enter deeper in the hybrid application field. With the extended power field offer by 48V components, more vehicle segments and applications can have more benefits at a still limited over cost. We will illustrate the similar topology of 12+12V and 12V+48V systems and show how complementary functions such as electric supercharger boosting can be added in a modular way. This approach can help to lower the cost of the systems integration in vehicle which can be a significant part of the total system application cost. This can thus contribute to a large application field for mild hybrid systems and by the way contribute to a greater vehicle fleet CO2 reduction. The main hybrid functions impacts on engine emission will be presented. We examine how 48V system can address more efficient hybridization architectures (from P1 to P4) allowing more CO2 emission reduction and see how we can even open the gateway for low cost pure electrical vehicles. We then show how the different hybridization architectures can be addressed in a modular building bloc structure for components. This last level of modularity is an additional lever to lower the hybridization cost. Combining the electrical board net modular predisposition and the field of 48V hybridization would open ways to access further CO2 emission reduction with the best cost ratio. At the end, we will build the general road map of 48V hybridization systems and future vehicle functions.

Autor: Dr. Coppin Olivier
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