TechnikElektrifizierung der Nebenaggregate

Kurze Leitung, dünner Draht

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Christoph Hammerschmidt

Christoph Hammerschmidt

freier Journalist

Um den Benzindurst ihrer metallenen Rosse zu zügeln, haben sich die deutschen Autohersteller von Audi bis Volkswagen etwas Neues einfallen lassen: eine höhere Spannung im Bordnetz. Aber welchen Einfluss hat die Bordspannung auf den Spritverbrauch?

11. September 2015

Im Interesse des großen Generalthemas „Kraftstoffverbrauch“ betreiben Autohersteller und Zulieferer seit Jahren eine Strategie, die sie „Elektrifizierung der Nebenaggregate“ nennen. Beispielsweise traten an die Stelle mechanischer, riemengetriebener Kühlmittelpumpen nunmehr elektrische Ausführungen, und wo einst eine hydraulisch angetriebene Servolenkung dem Fahrer die Arbeit erleichterte, summt jetzt ein kleiner Elektromotor.

Dem Motor auf der Tasche liegen

Massenhaft warfen die Konstrukteure bewährte mechanische Aggregate aus den Autos und ersetzten sie durch elektrische Geräte. Der Gedanke dabei: Die Kühlmittelpumpe, Hydrauliklenkung und viele weitere Nebenaggregate werden eigentlich nicht ständig benötigt. Dennoch liegen sie, energetisch betrachtet, dem Motor ständig auf der Tasche, weil dieser sie mittels Riementrieb oder Zahnrad antreiben muss. Ein elektrisch angetriebenes Aggregat dagegen verlangt nur dann nach Energiezufuhr, wenn es wirklich aktiv wird. Die elektrische Servolenkung hat so lange Ruhe, wie der Fahrer geradeaus fährt, der Kühlerventilator braucht bei kaltem Motor nicht hektisch mitzudrehen.

Lichtmaschine unter Stress

Die Elektrifizierung der Aggregate aber führte die Konstrukteure an eine neue Grenze: Mit zunehmender Zahl elektrischer Verbraucher gerieten Batterie und Lichtmaschine immer häufiger in Stresssituationen. Assistenzsysteme, Sitzheizungen, Klimaanalage, Fensterheber, Wankstabilisierung und dergleichen verschlingen so viel elektrische Leistung, dass die Physik die Konstrukteure vor die Wahl stellt: entweder ein dickerer Draht muss her, oder eine höhere Bordspannung. Der Lösungsweg „dicker Draht“ verbietet sich. Die Kabelbäume der Autos sind jetzt schon zu schwer, zu teuer und zu unhandlich. Die Einführung einer zweiten Spannungsebene neben dem 12-Volt-Netz hingegen löst viele Probleme. Denn bei höherer Spannung, aber gleichem Strom lässt sich die vierfache Leistung übertragen.

Das Turboloch stopfen

An die 48-Volt-Sektion des Bordnetzes sollen denn auch vor allem solche Verbraucher angeklemmt werden, die hohe Leistungen benötigen. Ein Beispiel ist der elektrisch betriebene Turbolader. Im Gegensatz zu normalen Turboladern, die durch den Druck der Abgase angetrieben werden, holt sich der E-Turbo seine Energie aus der Batterie – und die steht sofort bereit, in nur 250 Millisekunden jagt die kleine Turbine auf Maximaldrehzahl von 72.000 rpm. Damit lasse sich nicht nur Sprit sparen und das gefürchtete Turboloch bei Dieselmotoren ausbügeln, schwärmt der Autozulieferer Valeo, der den Elektro-Turbo entwickelt hat. Mehr noch: Mit dem elektrischen Turbo könne man die Drehzahlcharakteristik eines Motors nahezu nach Wunsch maßschneidern. Audi hat es ausprobiert und gleich zwei E-Turbos in sein Konzeptfahrzeug RS 5 TDI gepackt. Das solcherart bestückte Fahrzeug erzielte auf dem Sachsenring kürzlich eine neue Bestzeit für Diesel-Fahrzeuge.

Killer-Applikation für 48 Volt

Als „Killer-Applikation“ für die 48-Volt-Technik aber gilt vielfach die Kombination aus Generator und Anlasser, die sich jetzt Startergenerator nennt und in den Hybridfahrzeugen der Einstiegsklasse zu finden ist. Der Startergenerator ist für die Stopp-Start-Automatik zuständig, die bei kurzen Ampelstopps den Motor abstellt und ihn binnen Sekundenbruchteilen wieder anwirft, sobald der Fahrer kurz den Gashebel betätigt. Je nach Hersteller und Ausführung wird der Startergenerator per Riementrieb oder direkt über das Getriebe an den Antriebsstrang gekoppelt. Im Fahrbetrieb produziert das Kombi-Teil Strom, der in die Lithium-Ionen-Batterie des 48-Volt-Netzes eingespeist wird. Beim Bremsen hilft der Motorgenerator mit, indem er kinetische in elektrische Energie umwandelt; Fachleute sprechen von Rekuperation. Auch umgekehrt wird ein Schuh daraus: Benötigt der Fahrer kurzfristig mehr Power, als der Verbrenner alleine schafft, so kann der Elektromotor ein wenig mithelfen („boosten“).

Segeln im Auto

Und noch eine Energiespartechnik ermöglicht dieses Konzept: das „Segeln“. Geht der Fahrer vom Gas, so wird der Motor abgeschaltet und mechanisch ausgekuppelt. Das Auto gleitet antriebslos dahin – so lange bis der Fahrer wieder aufs Gas oder auf die Bremse tritt. Zulieferer wie Bosch oder Continental wollen den Segelbetrieb über Landschaftsdaten aus der Cloud optimieren: Je nach Topologie- und Verkehrsdaten entscheidet die Elektronik darüber, welche Phasen zur Rekuperation genutzt werden und wann das Auto einfach spritsparend dahingleitet. Entsprechende Systeme sollen dieses Jahr auf der Fahrzeugausstellung IAA (17.–27.09.2015) vorgestellt werden.

Zulieferer gehen voraus

Während die Zulieferer bereits voll auf die 48-Volt-Technik setzen, sind die Autohersteller noch nicht ganz so weit, denn die Technik hat auch Nachteile. So benötigen beide Teilnetze je eine eigene Batterie, zudem muss ein bidirektionaler DC/DC-Wandler als Brücke zwischen beiden Welten in die Autos. Das alles kostet Geld und beansprucht Platz. Deshalb äußern sich die Hersteller zwar lobend über die neue Technik, doch mit ihrer Einführung in die Serie lassen sie sich Zeit. „Wir befassen uns intensiv damit“, heißt es beispielsweise bei Daimler. Einen konkreten Zeitpunkt mag das Unternehmen aber nicht nennen. BMW schreibt der Technik „einen hohen Mehrwert als Effizienzmaßnahme“ zu und erhofft sich davon auch eine weitere Erhöhung des Fahrkomforts. Genaue Einführungspläne kann oder will der Hersteller aber nicht bekanntgeben. Einen Schritt weiter ist man bei Audi: Der Spitzen-SUV Q7 des Herstellers soll ab 2016 einen elektrischen Turbo bekommen.