Eine kleine Historie von 42V

Am Massachusetts Institute of Technology Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems (MIT/LEES) in Cambridge traf sich 1994 auf Initiative von Daimler-Benz der erste "Workshop on Advanced Architectures for Automotive Electrical Distribution Systems" mit dem Ziel, die Architektur für ein künftiges automobiles Bordnetz zu erarbeiten. Teilnehmer dieses Workshops waren neben den Automobilfirmen Daimler-Benz, Ford und General Motors von Anfang an auch Zulieferfirmen.

Im September 1995 wurden am MIT verschiedene Bordnetz-Architekturen mit dem Tool "MAESTrO" verglichen und im Dezember 1995 in den "Conclusions" als künftiges Spannungsniveau erstmals ein Wert von ca. 40V fixiert.

Anfang 1996 wurde das "Consortium on Advanced Automotive Electrical and Electronic Systems" ins Leben gerufen. Auf dem anschließenden Workshop im März 1996 wurde die künftige Nennspannung mit 42V definiert.

Im IEEE Spectrum erschien im August 1996 der Beitrag "Automotive electrical systems circa 2005".

Im Anschluss an die Convergence Oktober 1996 hielt in Detroit Professor John G. Kassakian (MIT) im Rahmen des "IEEE Workshop on Automotive Power- Electronics" den Vortrag "The Future of Automotive Electrical Systems".

Am 24.03.1997 wurde von Daimler-Benz am MIT die "Draft Specification of a Dual Voltage Vehicle Electrical Power System 42V/14V" vorgestellt.

USA

MIT

MIT

Ford

General Motors

Mercedes

Parallel zu den Aktivitäten in den USA wurde 1994 ebenfalls auf Initiative von Daimler-Benz bei der damaligen SICAN GmbH in Hannover das "Forum Bordnetz" der Automobilunternehmen in Deutschland ins Leben gerufen. Auch dort wurden sehr bald die Zulieferer in die Diskussion mit einbezogen, sowie alle europäischen Automobilfirmen zur Teilnahme eingeladen.

Am 15.02.1996 wurde am Forum Bordnetz das Positionspapier "Bordnetzarchitektur im Jahr 2005" beschlossen und am 04.06.1996 von BMW die "Tabelle heutiger und zukünftiger Verbraucher im Kfz" und das "42V/14V-Bordnetz" vorgestellt.

Große Beachtung fand auf der 7. Internationalen Fachtagung für Elektronik im Kraftfahrzeug in Baden-Baden am 13.09.1996 der Vortrag "Neue Bordnetz- Architektur und Konsequenzen", gehalten von Dr. Richard D. Tabors (MIT).

Am 06.03.1997 wurde in Hannover von BMW der "Spezifikationsentwurf für das Zwei-Spannungsbordnetz 42V/14V" vorgestellt.

Entscheidende Impulse für die Arbeit bei der SICAN GmbH kamen aus der Zusammenarbeit von BMW und Daimler-Benz durch die gemeinsame Erstellung der europäischen "Verbraucherliste 2005" und dem gemeinsam erarbeiteten "Spezifikationsentwurf für das Zwei-Spannungsbordnetz 42V/14V".

Europa

Forum Bordnetz

AUDI

BMW

Mercedes

Porsche

VW

Nach umfangreichen Vorarbeiten, deren Ergebnis die "Verbraucher-Liste eines Fahrzeuges 2005" war, wurden am Massachusetts Institute of Technology Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems (MIT/LEES) im Workshop September 1995 verschiedene Bordnetz- Architekturen mit dem Tool "MAESTrO" verglichen (12V, 12V/24Vdc, 12V/48Vdc und 12V/60Vac). Dabei zeigte sich eine möglichst hohe Gleichspannung als günstigste Alternative.

Einschränkend besteht für Gleichspannungen eine Berührungsschutzgrenze von 60V, die auch bei Spannungsschwankungen durch extreme Bedingungen nicht überschritten werden darf. Damit schied ein Bordnetz mit einer Batterie-Nennspannung von 48V aus, weil dann bei niedrigen Temperaturen die Ladespannung der Batterie die Höhe von 60V erreichen kann. Für Batterien ist zudem die Zellenzahl von Einfluss auf Preis, Gewicht und Volumen und sollte deshalb möglichst niedrig gehalten werden.

Zur Einführung des 42V/14V-Bordnetzes hätten neue Batterietechnologien für Automotive-Anwendungen nicht zu vertretbaren Kosten zur Verfügung gestanden. Diese erfordern außerdem besondere Laderegime und können folglich nicht "starr" am Bordnetz betrieben werden, was bei der Deckung von Leistungsspitzen von Vorteil ist. Blei-Säure-Batterien sind kostengünstig und zeigen im Laden/Entladen ein sehr "gutmütiges" Verhalten. Es wären also Blei-Säure-Batterien auf der niedrigen Spannung energieoptimiert bzw. lebensdaueroptimiert und auf der höheren Spannung leistungsoptimiert eingesetzt worden.

Ein weiteres wichtiges Kriterium für eine neue Architektur war, dass sie weitgehende Migrationsmöglichkeit bietet, also die Verbraucher ggf. erst nach und nach entsprechend den Erfordernissen auf die höhere Spannung umgehängt werden können.

Zum Verständnis ist es nötig, sich klar zu machen, dass das heutige 12V-Bordnetz eine Generator-Regelspannung von ca. 14V hat und dies damit die vorherrschende Spannung ist. Entsprechend wurde die Benennung dieses Zweiges im künftigen Bordnetz auf 14V korrigiert.

In Abhängigkeit der Betriebszustände kann die Bordnetzspannung heute zwischen 6,5 und 16V schwanken, wobei dem noch eine mehr oder weniger große Welligkeit überlagert ist. Im 42V/14V-Bordnetz sollte der 14V-Zweig von Verbrauchern hoher Leistung befreit sein und deshalb in wesentlich engeren Grenzen gehalten werden können.

Die Leistungselektronik gewinnt im automobilen Bereich zunehmende Bedeutung und wird ein entscheidender Preisfaktor in künftigen Fahrzeugen sein. So war es wichtig, vor allem auch unter diesem Aspekt die geeignete höhere Spannungslage zu wählen. Trotz der stark steigenden Tendenz der Leistungselektronik in Automotive-Anwendungen wird deren Marktanteil sinken, da die Zuwächse in anderen Marktsegmenten noch höher sind. Schon deshalb ist eine besondere Fertigungs-Technologie für den automobilen Einsatz nicht denkbar.

Wahl der Spannung

In intensiven Gesprächen mit den großen Halbleiterherstellern zeigte sich eine Spannung von ca. 40V als vorteilhaft. Viele Argumente sind im Vortrag "Intelligente Leistungshalbleiter für zukünftige Kfz-Bordnetze" von der damaligen Siemens Halbleiter jetzt Infineon von der 17. Tagung "Elektronik im Kraftfahrzeug" am 3./4. Juni 1997 zusammengefasst.

Weitere Argumente für eine höhere Spannung waren die Reduzierung von Gewicht in der Verkabelung und die Verbesserung der Bordnetzstabilität auch durch Reduzierung der Spannungsabfälle. Mit einer dreifachen Spannung können dicke Leiter auf ein Drittel des Querschnittes reduziert werden und gleichzeitig der relative Spannungsabfall ebenfalls auf ein Drittel. Bei gleichem Querschnitt beträgt der relative Spannungsabfall nur noch ein Neuntel.

Die aus der Fülle von Argumenten resultierende Spannungslage war so nahe am Dreifachen der heutigen Spannung, dass es sich regelrecht aufdrängte, 42V für die zweite Spannungsebene zu wählen.

SGS-Thomson

Siemens

Als einer der "Väter" von 42V verfocht ich für das neue Bordnetz vehement die Benennung 42V/14V und eben nicht 36V/12V. Nachdem ich von Paul Hansen, dem Herausgeber des Hansen-Report interviewt wurde, kam meine Erklärung auf die Titelseite des Hansen-Report vom April 1998:

Dieter Blauensteiner of Daimler-Benz's research operation explained that the present voltage is not really 12 volts: "The nominal voltage in today's vehicle is around 14 volts [voltage while your engine is running] - that's also the nominal voltage of the alternator, and 14 times three is 42."

Kolportiert ist zur Frage nach der Höhe der Spannung, dass 42V die Antwort auf die "ultimative Frage des Lebens, des Universums und dem ganzen Rest" gewesen wäre.

Andere scherzten, weil der "1st International Congress on 42V PowerNet" gehalten im Congress Center Villach/Österreich 28.-29. September 1999 die Telefonnummer 04242 42000, Fax 04242 42000-42 hatte.

Die ultimative Frage

Ursprünglich war die Einführung des Zwei-Spannungsbordnetzes 42V/14V für ca. 2005 geplant. Es war klar, dass die Neuentwicklung von 42V-Komponenten entsprechende Kosten verursachen würde. Die von den Automobilherstellern bei 14V-Komponenten stark unter Preisdruck stehenden Zulieferer hofften bei 42V auf eine Verbesserung ihrer Marge. Letztlich wollte kein Automobilhersteller die bezifferten Mehrkosten für eine Umstellung in Kauf nehmen. Die Aktivitäten betreffend 42V sind mittlerweile eingestellt.

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