Bordnetz

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Als Bordnetz wird die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in Fahrzeugen, wie Automobilen, Flugzeugen, Schiffen und bei der Eisenbahn bezeichnet. Der Begriff Bordnetz wird allgemein bei fast allen Fahrzeugen genutzt. Das Bordnetz ist für die Stromversorgung (Energiebordnetz) und den Informationsfluss zwischen Komponenten und Steuergeräten (Kommunikationsbordnetz) zuständig.

Der Begriff Bordnetzspannung wird synonym für die elektrische Spannung bzw. die Nennspannung an Bord von Fahrzeugen verwendet.

Zu den elektrischen Komponenten eines Bordnetzes zählen u. a.:

Übliche Spannungen

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In der nachfolgenden Tabelle sind Nennspannungen von unterschiedlichen Bordnetzen angegeben. Wird eine Batterie über das Bordnetz geladen, liegt die tatsächliche Spannung über der Nennspannung, z. B. bis zu 14,4 V beim Pkw-Bordnetz mit 12-V-Batterie. Die Einspeisungen erfolgen typischerweise mittels Akkumulatoren und Generatoren, welche von den jeweiligen Anwendung abhängen:

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Anwendung Nennspannung [V] Gleich- (DC) oder
Wechselspannung (AC)
USB-Lade-/Versorgungsspannung auf E-Bike, im Kfz, in Bahn und Fernbus 5 DC
USB-Lade-/Versorgungsspannung Typ USB-PD (Power Delivery) 5, 9, 12, 15, 20 (zwischen den Geräten verhandelt)[1] DC
USB-Lade-/Versorgungsspannung Typ PPS (Programmable Power Supply (USB-PD Version 3.0)) 5–20 (zwischen den Geräten verhandelt)[2] DC
Fahrrad mit Speisung der Beleuchtung aus einem Dynamo 6 AC
Elektrofahrrad, Antriebsakku 24 (alt), 36, 48 V Nennspannung[3] DC
Hover-, Balanceboards 36[4], 53,4[5], 73,6[6] DC
Historische Pkw (Baujahr bis 1970) und Motorräder 6 DC
Personenkraftwagen (Pkw), kleine Boote, moderne Motorräder 12 DC
Lastkraftwagen (Lkw) und Busse 24 (USA oft 12) DC
Flugzeuge 28 DC
Gabelstapler 12[7], 24, 48, 80 DC
In den 1990ern konzipiert für Pkw, Lkw und Busse 42 DC
Als zweites Bordnetz für Pkw, insbes. Hybridkraftfahrzeuge[8][9][10] 48 DC
TWIKE, Leicht-E-Fahrzeug 336[11] DC
Als zweites Bordnetz für Elektrofahrzeuge 380–420 DC
Schienenfahrzeuge
(Akkuspannung) 		110 DC
Internationale Raumstation (ISS) 124, 28 DC
Größere Flugzeuge 115/200 AC (Dreiphasen),
400 Hz
Sportboote (Motorboote, Segelschiffe) 12 oder 24 DC
Schiffe 400, 440 oder 690 AC (Dreiphasen),
50 oder 60 Hz
Raumfahrt – Apollo-13-Versorgungsmodul (1970) 28 DC
Raumfahrt – Apollo-13-Startrampe 65 DC

Größere Schiffe mit Bordnetzleistungen von über rund 5 MVA weisen eine zusätzliche Mittelspannungsebene von 6,6 kV bis 11 kV auf.

48-Volt-Bordnetz im Automobil

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Mit dem 12-V-Bordnetz kann der Stromverbrauch, den moderne Kraftfahrzeuge für ihre Komfortsysteme benötigen, kaum mehr gedeckt werden. Die „statischen“ Verbraucher lasten die Lichtmaschine, die bis zu 3 kW Leistung aufbringt, insbesondere bei niedrigen Temperaturen komplett aus.[12] Für zusätzliche dynamische Verbraucher, wie zum Beispiel leistungsstarke elektrisch angetriebene Verdichter, reicht die Batterieleistung nicht aus.[13]

Daher wurde Ende der 1990er-Jahre der Vorschlag gemacht, ein 14-V/42-V-Bordnetz in Kraftfahrzeuge einzubauen.[14] Ab 2001 wurden von japanischen Herstellern und von General Motors Hybrid-Fahrzeuge mit diesem Bordnetz auf den Markt gebracht.[15] Obwohl Daimler-Chrysler zu den Mitinitiatoren dieses Konzeptes zählte, wurde es in Deutschland nicht eingesetzt. Als ein Grund gilt, dass es nicht möglich erschien, für den notwendigen Mehrpreis gegenüber den Kunden einen dementsprechenden Nutzwert darzulegen.[14]

Stattdessen wird von deutschen Automobilherstellern seit 2010 die Lösung favorisiert, ein zweites Teilbordnetz mit einer Spannung von 48 V vorzusehen, welches das 12-V-Netz ergänzt.[9] Erste Serienanwendungen von 48V-Bordnetzkomponenten sind seit 2016 der Betrieb des elektrischen Verdichters und die elektromechanische Wankstabilisierung im Audi SQ7 4.0 TDI sowie Bentley Bentayga. Beide basieren auf der gleichen Plattform.

Tesla hat für den Cybertruck (2023) ein 48-V-Bordnetz entwickelt, unter anderem um die Stellmotoren des Drive-by-Wire-Systems effektiv zu betreiben und veröffentlichte die Spezifikation.[16]

Hochvolt-Bordnetz im Automobil

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Bei Elektroautos begann man die Antriebsbatterien mit 360 Volt auszulegen, sodass man sie direkt an 400 Volt Kraftstrom laden kann. Diese Hochvoltbatterien wurden auch mit Motoren verbunden, die 450 Volt vertragen, was zu einem 400-Volt-Bordnetz führte.

Die Entwicklung der Schnellladenetz führte zu HPC-Ladestationen, die sich mit höheren Spannungen effizienter betreiben lassen. Aus dem Bereich der Straßenbahnen und U-Bahnen konnte man dabei auf Technik mit nominell 750 Volt zurückgreifen, einschließlich Motoren, die Lastspitzen bis 1200 Volt vertragen. Zusammen mit Ladestationen bis 1000 Volt entstanden dann Fahrzeug-platformen mit 800-V-Bordnetz, die 2019 mit dem Porsche Taycan erstmal im Markt erschienen, und ab 2025 üblich wurden.

Zukünftige Ladestationen werden auch bis 1500 Volt ausgelegt, es ist jedoch noch nicht bekannt, ob auch Batterien und Motoren dazu erscheinen. Grundsätzlich kann man auch mit höherer Spannung laden als die Motoren vertragen, wenn der Batterieblock in mehrere Teilen vorliegt und zum Laden die Teile in Reihe schaltet. Dies wurde beim Übergang von 400-Volt zu 800-Volt benutzt, erstmals gezeigt beim GMC Hummer EV von 2021.

Literatur

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  • Konrad Reif (Hrsg.): Bosch-Autoelektrik und -Autoelektronik: Bordnetze, Sensoren und elektronische Systeme. 6. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg-Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1274-2.
  • Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann und Detlef Schulz: Elektrische Energieversorgung: Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie für Studium und Praxis. 8. Auflage. Vieweg-Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8348-0736-6, Kapitel Aufbau und Funktion von Bordnetzen.
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Einzelnachweise

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  1. ↑ USB-PD - USB Power Delivery elektronik-kompendium.de, abgerufen am 22. Dezember 2019.
  2. ↑ USB-PD - USB Power Delivery elektronik-kompendium.de, abgerufen am 22. Dezember 2019.
  3. ↑ Spannung von Akku pedelecforum.de, Beiträge 13.–14. Juli 2013, abgerufen am 22. Dezember 2019.
  4. ↑ Akku passend für Hoverboard 36 Volt Gyropode Hoverboards, Viron, Razor, Caterpillar, 4400mAh, 10S2P/22P-SL088 ...
  5. ↑ Zubehör und Ersatzteile für Ninebot Mini Pro 320 und 260 / Street ninebot-shop.at, abgerufen am 22. Dezember 2019.
  6. ↑ Segway PT Akku ptpro.de, abgerufen am 22. Dezember 2019.
  7. ↑ Still: Datenblatt Stapler. (PDF) In: Stihl Webseite. Ehemals im Original (nicht mehr online verfügbar); abgerufen am 7. Mai 2018.@1@2Vorlage:Toter Link/data.still.de (Seite nicht mehr abrufbar. Suche in Webarchiven)
  8. ↑ Deutsche Autohersteller setzen mit „Ludwigsburger Erklärung“ Standards (Memento vom 24. April 2012 im Internet Archive) Hüthig GmbH-Internetportal, 15. Juli 2011.
  9. ↑ a b Alfred Vollmer: Deutsche OEMs setzen Standards. 48-V-Bordnetz, Teilnetzbetrieb und Ladeschnittstelle. In: All-Electronics.de. Hüthig GmbH Fachportal, 14. Juni 2011, abgerufen am 21. Dezember 2015.
  10. ↑ Autos unter Hochspannung: Hersteller bereiten das dritte Bordnetz vor Handelsblatt online, Rubrik "Auto", 13. September 2012.
  11. ↑ Der Akku twike-center-ruhrgebiet.de, abgerufen am 22. Dezember 2019.
  12. ↑ Noch mehr Kraft und Effizienz – die neue 48-Volt-Technologie von Audi Audi Media Center, 25. August 2014.
  13. ↑ Elektrischer Biturbo
  14. ↑ a b Henning M. Hauenstein: Evolution der Bordnetzarchitektur durch 48-V-Versorgungsbus. In: elektroniknet.de. WEKA Fachmedien GmbH, 9. Juli 2013, abgerufen am 21. Dezember 2015.
  15. ↑ Tatsuo Teratani, Toyota Motor Corporation: Future Vehicles and Trend with Automotive Power Electronics and Hybrid Technology. (PDF; 3,81 MB) In: vde.com. VDE-Kongress 2006, 24. Oktober 2006, archiviert vom Original am 27. Dezember 2015; abgerufen am 7. Oktober 2022 (Auf Folie 22 von 30 finden sich Fahrzeuge mit 42 V Bordnetz, die zwischen 2001 und 2004 in Produktion gingen.).
  16. ↑ Daniel Zlatev: Tesla open-sources the Cybertruck's 48V architecture for all carmakers to speed up adoption. Notebookcheck, 7. Dezember 2023;.
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