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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.