LV 148 und VDA 320: Laborprüfung elektronischer Komponenten für PKW im 48V-Bordnetz

Übersicht

Die Automotive-Prüfnorm LV 148 definiert die Prüfbedingungen und Prüfungen an elektrische, elektronische und mechatronische Komponenten und Systeme für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mit 48-Volt-Bordnetzen. Aufbauend und ergänzend zur Prüfnorm LV 124 (nur für 12V-Bordnetze), wird mit der Norm LV 148 der zunehmenden Verwendung von 48V-Spannungsversorgungen im Automotive-Bereiche Rechnung getragen. Die LV 148 wurde vom VDA als Empfehlung VDA 320 (08/2014, “Elektrische und elektronische Komponenten im Kraftfahrzeug - 48V-Bordnetz - Anforderungen und Prüfungen”) erarbeitet und veröffentlicht. Die nun vorliegende Prüfnorm LV 148 wurde dabei von den Automotive-OEMs Audi, BMW, Daimler, Porsche und Volkswagen als eine gemeinsame Grundlage der jeweils fahrzeughersteller-spezifisch abgeleiteten OEM-Normen für Komponenten im 48-V-Spannungsbereich erarbeitet.

Hintergrund

Die Notwendigkeit einer Prüfnorm für 48V-Bordnetze ergibt sich aus einer bereits länger andauernden Entwicklung hin zu höheren Spannungen in der PKW-Spannungsversorgung. Die sukzessive strenger definierten gesetzlichen CO2-Grenzwerte in der EU definieren seit 2021 einen durchschnittlichen Grenzwert von 95 g CO2/ km für PKW. Das Erreichen dieses Grenzwerts wird vor allem auch durch den Einsatz von Mild-Hybrid-Fahrzeugen ermöglicht. Diese Fahrzeuge sind meist mit einer Starter-Generator Einheit ausgestattet, die nicht auf 12V-Technologie basieren kann, da mit 12V-Bordnetzen Ströme von mehr als 200A und damit Leistungen von deutlich mehr als 3kW nicht mehr wirtschaftlich darstellbar sind. Es wurde daher neben der bisher existierenden 12V/24V-Spannungsebene eine dritte Spannungsebene von 48V definiert, die eine komplett neue Elektronik-Architektur im PKW erlaubt. Mit den darauf aufbauenden MIld-Hybrid-Antrieben sind nicht nur Start-Stopp Funktionalitäten möglich geworden, sondern auch “Rekuperation”, “Boosten” und “Segeln”, was zu einer dann deutlichen Senkung von Verbrauch und Emissionen führt. So können die strengen EU-Grenzwerte für CO2-Emissionen erreicht werden. Das neue 48V-Bordnetz bietet neben der Möglichkeit zur Hybridisierung aber zusätzlich noch den Vorteil, viele weitere elektrische Verbraucher im Fahrzeug mit einer höheren Spannung zu betreiben. Aus heutiger Sicht ist die 48V-Technologie dabei als Übergangstechnologie zur Hochvolt-Elektrifizierung von vollelektrischen Fahrzeugen zu sehen. Im Rahmen der VDA-Empfehlung 320 werden folgende Spannungen definiert:

• Oberer Betriebsspannungsbereich mit Funktionseinschränkung
  Der Bereich zwischen U48max,unlimited und U48max,high,limited ist für die Kalibrierung des Speichers und die Aufnahme von Rückspeiseenergie vorgesehen.
• Betriebsspannungsbereich ohne Funktionseinschränkung
  Der Bereich zwischen U48min,unlimited und U48max,unlimited lässt den Betrieb der Komponenten ohne Funktionseinschränkung zu.
• Unterer Betriebsspannungsbereich mit Funktionseinschränkung
  Der Betrieb im Bereich von U48min,low,limited bis U48min,unlimited ist nur temporär zulässig. Gegenmaßnahmen sind zu ergreifen, um in den Betriebsspannungsbereich ohne Funktionseinschränkung zurückzukehren.
• Speicherschutzbereich
  Die Speicherschutzspannung beträgt U48,protect.

Anwendungsbereich

Die Norm LV 148 auf Basis der VDA Empfehlung 320 findet Anwendung für elektrische, elektronische und mechatronische Komponenten und Systeme von PKWs (<3,5t) mit einer Spannungsversorgung von 48V. Im Zuge der Erhöhung der Bordnetzspannungen von 12V auf 48V war eine Ergänzung zur bestehenden, sehr umfassenden Norm LV 124 notwendig. Die Änderung des Spannungsniveaus erfordert dabei vor allem eine Anpassung der elektrischen Anforderungen und Prüfungen (Teil 1 der LV 124), so dass die in Teil 2 der in der Norm LV 124 definierten Prüfungen für 48V-Bordnetze nicht angepasst werden müssen. Dies gilt für Prüfungen der LV 124 (Teil 2) wie beispielsweise mechanische, klimatische und chemische Prüfungen sowie für Lebensdauerprüfungen.

Im Unterschied zum bisherigen 12-Volt-Generator erfüllt die elektrische Maschine im 48V-Bordnetz verschiedene Funktionen, sie arbeitet beispielsweise sowohl als Generator als auch als Starter und evtl. noch zusätzlich als elektrischer Motor zur Unterstützung des Antriebs. Neben dem Austausch des klassischen 12V-Generators mit Klauenpoltechnologie werden in 48V-Bordnetzen verschiedene Arten der Integration einer als Starter-Generator ausgeprägten Energieversorgung verwendet. Neben den 48-Volt-E-Maschinen sind aber in einer 48V-Bordnetzarchitektur auch viele weitere elektrische Verbraucher integriert, die in 12V-Bordnetzen zuvor nicht elektrisch versorgt wurden. Alle diese Komponenten sind daher auch in den Prüfanforderungen nach LV 148 zu berücksichtigen, d.h. es sind die Anforderungen und erforderlichen Prüfungen für all jene neu verwendeten Komponenten zu definieren. Dies gilt beispielsweise für folgende Komponenten:

• Generatoren und Motoren
• Elektrische Servolenkung (EPS)
• Luft- und Wasser Heizungen und Zusatzheizer
• Klimakompressoren
• Pumpen für unterschiedliche Medien (Öl, Kühlmittel, Luft, Kraftstoffe)
• Frontscheibenheizung
• Chassis-Funktionen, zB. Wankstabilisierung und elektromechanische Fahrwerksysteme
• Lüftermotoren
• Verbindungssysteme
• Leitungssätze
• Inverter
• DC/DC-Wandler
• Energie- und Batteriemanagement
• Aktive elektronische Bauelemente
• Passive Bauelemente

Prüfungen

Die in der Norm LV 148 bzw. der VDA 320 definierten elektrischen Prüfungen für 48V-Bordnetze sind umfangreich, umfassen aber beispielsweise die folgenden Tests bzw. Prüfbereiche:

• Spannungsfestigkeit: Hierbei werden die Komponenten auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Überspannungen, Unterspannungen und Spannungsschwankungen geprüft. So soll sichergestellt werden, dass Bauteile bei variierenden Spannungen im 48V-Netz funktional bleiben.
• Kurzschlussfestigkeit: In diesem Bereich wird untersucht, ob Bauteile und Komponenten eines 48V-Bordnetz Kurzschlüsse überstehen, ohne dass Schäden oder sicherheitskritische Ausfälle auftreten.
• Stromunterbrechungen und Spannungseinbrüche: Dies umfasst die Simulation von plötzlichen Stromunterbrechungen oder Spannungseinbrüchen, um die Reaktionsfähigkeit und Erholung der Komponenten zu bewerten.
• Leckstrom- und Isolationstests: Hierbei werden Tests zur Überprüfung der Isolation zwischen Komponenten im 48V-Bordnetz durchgeführt.

Die im Rahmen der LV 148 durchzuführenden Prüfungen sind jenen in der Norm LV 124 ähnlich, wobei dies wie erwähnt nur den Teil der elektrischen Prüfungen beider Normen betrifft. Im Vergleich zur Norm LV 124 ergeben sich für Tests in der Norm LV 148 im Detail aber doch eine Vielzahl von Änderungen und Unterschieden, die die Bordnetzspannung von 48V im Gegensatz zur Spannung von 12V mit sich bringt.

Die folgende Übersicht führt die im Rahmen der LV 148 (48V-Spannungsversorgung) durchzuführenden Tests im Einzelnen auf und zeigt zudem den Kontext zu den Prüfungen in der LV 124 (12V-Spannungsversorgung)

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Fazit

Die Norm LV 148 ist die wesentliche Richtlinie der deutsche und europäischen Automobilindustrie für die spezifischen Prüfanforderungen elektronischer Bauteile in Fahrzeugen mit der zuletzt neu eingeführten 48V-Bordnetz-Technologe. Ihr Anwendungsbereich umfasst dabei nur die elektrischen Prüfungen für 48V-Bordnetze, wie sie beispielsweise in modernen Fahrzeugen mit Hybrid- oder Mild-Hybrid-Technolgie eingesetzt werden. Komplementär zur LV 148 definiert aber die Norm LV 124, die Jahre zuvor bereits für die herkömmliche Spannungsversorgung im 12V-Bordnetz veröffentlicht wurde, alle weiteren notwendigen Prüfbereiche, wie beispielsweise mechanische, klimatische und chemische Prüfungen sowie Lebensdauerprüfungen.

Eine effiziente Art, geeignete Prüflabore für Prüfungen nach LV 148 zu beauftragen, ist eine kostenlose Anfrage über die Online-Plattform testxchange. In einem kurzen Online-Anfrageformular wird beschrieben, welche Tests durchgeführt werden sollen. Die Anfrage wird dann gleichzeitig an verschiedene Labore weitergeleitet. Diese Labore können dann auf die Anfrage antworten und Angebote für die benötigten Prüfungen nach LV 148 unterbreiten.