Dieser Aufschwung ist, neben den politischen und gesellschaftlichen Vorgaben zur Effizienzsteigerung sowie zur Reduktion von Schadstoff- und Geräuschemissionen, auf folgende Faktoren zurückzuführen:
• Die Einstufung als Sicherheitskleinspannung (SELV) ohne notwendigen Berührschutz und damit einfachem Handling.
• Ein Technologiesprung bei Akkumulatoren und Superkondensatoren hinsichtlich Energie- und Leistungsdichte sowie bei Gewicht und Anschaffungskosten.
• Der steigende Automatisierungsgrad aufgrund von Kostendruck und Fachkräftemangel.
Im folgenden Beitrag werden Möglichkeiten zur Anbindung von 48VDC-Netzen und deren Potenzial zur Effizienzsteigerung und Kosteneinsparung erläutert.
Wie ist ein dediziertes 48VDC-Netz aufgebaut?
Aus einer übergeordneten Energiequelle, z.B. einem Wechselspannungsnetz oder einem stationären Akkumulator, werden ungeregelte 48V generiert, die für viele nachgeschaltete Komponenten nicht direkt nutzbar sind. Ein DC/DC-Wandler überwacht relevante Parameter und versorgt die Verbraucher mit geregeltem Strom und Spannung. Optional kann auf der 48V-Ebene auch ein Energiespeicher integriert sein, der ebenfalls durch den DC/DC-Wandler ge- und entladen wird.
Das 48V-Netz in der Produktion
Ein erheblicher Anteil des industriellen Energieverbrauchs entfällt auf den Betrieb von Elektromotoren. Während leistungsstarke Motoren im Bereich von mehreren 10kW typischerweise mit Drehstrom betrieben werden, nutzen kleinere Motoren 24V oder 48V Gleichspannung. Die Kleinspannung wird in der Regel durch AC/DC-Wandler aus der AC-Netzversorgung erzeugt. Diese AC/DC-Netzteile müssen in der Lage sein, auch kurzzeitig benötigte Spitzenleistungen ohne signifikanten Spannungsabfall am Ausgang bereitzustellen. Typischerweise sind AC/DC-Netzteile nur für unidirektionale Energieübertragung geeignet – sie können Energie ausschließlich aus der AC- in die DC-Seite transferieren. Ein dynamisches Antriebssystem, das beim Abbremsen zurückspeist, kann mit einem solchen Netzteil nur in Verbindung mit einem Bremswiderstand genutzt werden. Dieser Widerstand verhindert den Anstieg der Spannung auf der Ausgangsseite des Netzteils im Rückspeisebetrieb, indem er die anfallende Energie in Wärme umwandelt. Diese Lösung funktioniert in vielen Anlagen zuverlässig, erfordert aber Kompromisse bei der Energieeffizienz – die Bremsenergie steht nicht mehr zur Verfügung, und muss, unter Einsatz zusätzlicher Energie aus dem Schaltschrank befördert werden. Eine nachhaltigere Lösung besteht darin, ein separates 48V-Netz mit einem kleinen Energiespeicher und einem DC/DC-Wandler zur Versorgung der Antriebe zu nutzen. Durch den Einsatz eines Akkus oder Superkondensators können Spitzenlasten abgefangen werden. Dies ermöglicht, den aufgrund der erforderlichen galvanischen Trennung komplexeren AC/DC-Wandler deutlich kleiner zu dimensionieren. Andererseits kann ein bidirektionaler DC/DC-Wandler die beim Bremsen oder Ablassen von Lasten gewonnene Energie in den Akku zurückspeisen, wodurch, trotz eines weiterhin unidirektionalen AC/DC-Wandlers, die Bremsenergie für den nächsten Antriebszyklus nutzbar wird. Dies vereinfacht nicht nur das Thermomanagement, sondern steigert auch die Effizienz. Da das 48V-Netz in diesem Fall als unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) dient, bleibt die Prozesssicherheit selbst bei einem Netzausfall erhalten. Insgesamt führt dies sowohl zu einer erheblichen Effizienzsteigerung als auch zu deutlichen Kosteneinsparungen bei den benötigten Komponenten.
48V in autarken Applikationen
Bisher wurden netzunabhängige Systeme überwiegend durch Dieselgeneratoren und Hydraulikaggregate betrieben. Fortschritte in der Akkutechnologie, die Verfügbarkeit kompakter und effizienter DC/DC-Wandler sowie die hohe Leistungsdichte und Steuerbarkeit elektrischer Antriebe ermöglichen jedoch eine wirtschaftlich und ökologisch deutlich vorteilhaftere rein elektrische Umsetzung. Das Herzstück eines solchen Systems bildet die Leistungselektronik, die den Energiefluss in jedem Betriebszustand steuert und überwacht. Insbesondere der Ladevorgang des Energiespeichers spielt in autarken Systemen eine zentrale Rolle. Unabhängig von der Energiequelle muss er, abhängig von der Zellchemie, mit einem geregelten Ladestrom und einer geregelten Ladespannung versorgt werden. Dies erfordert eine entsprechend präzise Mess- und Regeltechnik.
Verwendung einer Brennstoffzelle als Energiequelle
In Applikationen mit langer Betriebsdauer oder schwieriger Ladeanbindung eignen sich Brennstoffzellen als Energiequelle. Hierbei ist insbesondere die Spannungsdifferenz zwischen Leerlauf und Volllast zu berücksichtigen. 48V-Brennstoffzellen arbeiten typischerweise in einem Spannungsbereich von 30 bis 60V. Daher muss ein DC/DC-Wandler beim Laden eines 48V-Speichers sowohl im Step-Down (Buck) als auch im Step-Up Betrieb (Boost) laufen. Entsprechend ausgelegte Boost-Wandler können aber auch in Phasen mit einer Leerlaufspannung oberhalb der Energiespeicherspannung arbeiten. Dabei wird die Energie durch eine Ansteuerung der Leistungstransistoren mit einem Duty Cycle von 100% kurzzeitig ungeregelt übertragen, bis die Spannung der Brennstoffzelle durch den abgegebenen Strom innerhalb weniger Sekunden unter die Spannung des Akkus sinkt. Dies hat den Vorteil, dass der Wandler ausschließlich als Aufwärtswandler (Boost-Converter) fungiert, was geringere Herstellungskosten und eine höhere Leistungsdichte ermöglichen. Ein bidirektionaler Wandler kann zudem die Brennstoffzelle aus dem Energiespeicher vor deren Hochlauf temperieren.
Mobile oder autonome Systeme auf 48V-Basis
In mobilen Anwendungen sind aus Platz- und Gewichtsgründen möglichst kompakte Energiespeicher erforderlich. Diese weisen jedoch eine geringere Kapazität und damit einen höheren Innenwiderstand auf, was zu größeren Spannungsschwankungen bei dynamischen Lasten führt. Da die Höhe der Versorgungsspannung maßgeblichen Einfluss auf Drehmoment und Drehzahl der Antriebe hat, ist der Einsatz von DC/DC-Wandlern zur Spannungsstabilisierung sinnvoll. Diese Wandler müssen eine hohe Abtastrate und Schaltfrequenz aufweisen, um den schnellen und starken Lastschwankungen in mobilen Systemen gerecht zu werden. Zudem müssen periphere Komponenten wie Steuerelektronik, Funkmodule oder Lüfter mit unterschiedlichen Spannungslevel aus der 48V-Energiespeicherspannung versorgt werden. Auf dem Markt verfügbare All-in-One-Lösungen bieten alle erforderlichen Spannungen in einem kompakten Design und reduzieren so den Platzbedarf und die Komplexität des Systems erheblich.
Erfassung von Prozessparametern zur erfolgreichen Integration von 48V-Netzen
Die erfolgreiche Integration von 48V-Netzen erfordert eine präzise Erfassung und Interpretation von Temperatur-, Strom- und Spannungswerten, um applikationsspezifische Entscheidungen treffen zu können. Dabei ist es essenziell, die gewonnenen Daten korrekt zu interpretieren. Faktoren wie die thermische Trägheit bei der Temperaturmessung, der Spannungsabfall durch den ohmschen Widerstand von Leitungen bei der Spannungsmessung sowie hochfrequente Überlagerungen auf der Strommessung beim Betrieb von Elektromotoren spielen eine entscheidende Rolle. Neben hardwareseitigen Lösungen, wie dem Einsatz von Sense-Leitungen zur präzisen Spannungsmessung, tragen auch die Abtastrate und der Einsatz mathematischer Filter dazu bei, valide Messwerte zu erhalten. Eine zentrale Energiemanagementeinheit, beispielsweise in Form eines DC/DC-Wandlers, kann diese relevanten Daten zur Steuerung des Ablaufs erfassen. Dies bietet mehrere Vorteile: Die Buslast bei der Kommunikation mit der zentralen Steuereinheit wird reduziert, ein einheitlicher Zeitstempel für die erfassten Daten wird sichergestellt, und kritische Betriebsbedingungen können sofort erkannt und behoben werden.
