Batteriebetriebene 24V-Anwendungen in der Leistungselektronik

Alle Elektrofahrzeuge (EV), einschließlich batteriebetriebener Elektrofahrzeuge (BEV), enthalten eine herkömmliche 12V-Blei-Säure-Batterie. Sie dient als unabhängige Stromversorgung für schlüssellose Zugangssysteme und Alarmanlagen, die auch dann funktionieren müssen, wenn die Hauptantriebsbatterie entladen ist. Außerdem versorgt sie bestehende 12V-Geräte wie Airbag-Systeme, Gurtstraffer und Anzeigen im Armaturenbrett, bei denen eine Neuzertifizierung für eine andere Versorgungsspannung zeitaufwendig und unwirtschaftlich wäre.

In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (Internal Combustion Engine, ICE) wird die Bleibatterie auch als Starterbatterie verwendet. Bei Mopeds und Motorrädern beträgt die Batteriespannung oft 6V, bei den meisten Autos 12V und bei schweren Nutzfahrzeugen in der Regel 24V. Diese Vielfachen von 6V sind kein Zufall. In der Batterietechnik mit verschiedenen Chemietypen wie Blei-Säure, Li-Ion oder LiFePO4 ist die grundlegende Einheit die Batteriezelle, deren Leerlaufspannung typischerweise im Bereich von 1–4V liegt. Höhere Spannungen werden durch die Reihenschaltung mehrerer Zellen in einem Akkupack erreicht, häufig ergänzt durch Schutzschaltungen, auch wenn dieser im allgemeinen Sprachgebrauch meist einfach als Batterie bezeichnet wird. Zellen werden in Reihe geschaltet, um die gewünschte Spannung zu erreichen, und können parallel geschaltet werden, um den Ausgangsstrom zu erhöhen.

Bei einer Blei-Säure-Batterie beträgt die Zellenspannung 2V, sodass drei Zellen in Reihe 6V, sechs Zellen 12V und 12 Zellen 24V liefern. Blei-Säure-Batterien für Spezialfahrzeuge und Flugzeuge verwenden 14 Zellen, um die Standardspannung von 28V bereitzustellen. Bei Lithium-Ionen-Akkus liegt die Zellenspannung typischerweise zwischen 2,4V und 3V, sodass ein Sechserpack eine typische Batteriespannung von etwa 18V für tragbare Elektrowerkzeuge und andere Werkstattanwendungen liefert. Im Allgemeinen werden Blei-Säure-Batterien in Hochleistungsanwendungen mit hohem Strombedarf eingesetzt, bei denen das Gewicht eine untergeordnete Rolle spielt. Li-Ionen-Batterien kommen zum Einsatz, wenn schnelles Laden und geringes Gewicht entscheidend sind. Die Batteriechemie und Energiespeicherung sind jedoch deutlich komplexer, als diese vereinfachte Darstellung vermuten lässt. Daher empfiehlt es sich, weiterführende Quellen heranzuziehen, beispielsweise den RECOM-Blog [1].

Während die gebräuchlichsten Spannungen in batteriebetriebenen Anwendungen 6V, 12V und 18V sind, zeigt sich in vielen Bereichen ein klarer Trend hin zu höheren Busspannungen wie 24V und 48V. Die Gründe für diese Entwicklung werden im folgenden Abschnitt näher erläutert.

12V-Blei-Säure-Batterien sind weiter verbreitet als 24V- oder 48V-Lösungen und in der Regel kostengünstiger sowie leichter verfügbar. Für den Motorstart kann eine Hochleistungsbatterie mehrere hundert Ampere liefern, der maximale Dauerstrom ist jedoch durch die Strombelastbarkeit des Kabelbaums auf etwa 100A begrenzt, wodurch die verfügbare Leistung auf rund 1200W beschränkt wird.

Zusammenhang zwischen Leistung, Strom und Effizienz

Wie die folgenden Gleichungen zeigen, ist die Leistung direkt proportional zu Strom und Spannung, während die Verluste im Widerstandspfad proportional zum Quadrat des Stroms ansteigen.





Kombiniert man das Watt’sche Gesetz mit dem Ohm’schen Gesetz, wird deutlich, wie stark der Strom die Verlustleistung beeinflusst. Der Widerstand eines Kabels führt zu Energieverlusten und einem Spannungsabfall, bevor die Leistung die Last erreicht.



Daraus lassen sich mehrere Schlussfolgerungen ableiten:

• Die Verdopplung der Spannung bei gleicher Leistung führt zur Halbierung des Stroms.
• Die Halbierung des Stroms ermöglicht kleinere Leiterquerschnitte bei gleicher Leistungsübertragung.
• Die Halbierung des Stroms reduziert den Spannungsabfall entlang der Leitung und verbessert die Systemeffizienz.
• Die Halbierung des Stroms erlaubt größere Leitungslängen bei gleichem Spannungsabfall.
• Die Halbierung des Stroms reduziert die Leistungsverluste im Verteilungsnetz auf ein Viertel.

Steigende Leistungsanforderungen und der Trend zu höheren Spannungen

Obwohl der Übergang zu Elektrofahrzeugen voranschreitet, werden Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor noch über Jahrzehnte hinweg im Einsatz bleiben, voraussichtlich bis über 2050 hinaus. Gleichzeitig steigt der Anteil elektrischer Funktionen im Fahrzeug kontinuierlich. Systeme wie adaptive Fahrwerke, moderne Klimasteuerungen, elektrische Pumpen, Turbolader und Start-Stopp-Systeme erhöhen den Leistungsbedarf deutlich und stoßen mit 12V-Systemen zunehmend an ihre Grenzen. Ein 48V-Batteriesystem kann in ICE- und Hybridfahrzeugen Leistungen bis zu 5kW bereitstellen und gilt dennoch als sichere Kleinspannung (SELV). Dadurch sind konventionelle Leitungsisolierungen und Standard-Sicherheitsmaßnahmen ausreichend. Gleichzeitig kann die Verkabelung in Fahrzeugen erheblich zum Gesamtgewicht beitragen, sodass höhere Spannungen durch geringeren Strombedarf den Kupfereinsatz reduzieren. In Kombination mit effizienteren Batteriesystemen lassen sich so Gewicht, Kosten und letztlich auch die Reichweite deutlich verbessern.

Diese Faktoren führen in der Praxis zu klaren Vorteilen: höhere Leistungsfähigkeit, geringere Systemgröße, bessere Energieeffizienz sowie kleinere Kabelquerschnitte und längere Leitungslängen. Insgesamt bieten höhere Busspannungen deutliche Vorteile für Effizienz und Zuverlässigkeit. Wo liegen also typische Anwendungen für 24V- oder 48V-Batterien? Elektromotoren sind zentrale Einsatzbereiche. Kleine Motoren, etwa in Handwerkzeugen, Booten, Golfwagen oder Rollstühlen, reagieren empfindlich auf Systemgröße und Gewicht, da Batterien, Leistungselektronik und Verkabelung direkt die Effizienz beeinflussen. Am anderen Ende der Skala zählen Industriemotoren und motorgetriebene Systeme zu den größten Energieverbrauchern in der Industrie [2], was das erhebliche Potenzial für Effizienzsteigerungen in diesem Bereich unterstreicht.

Abgesehen von Motoren profitieren viele weitere elektrische Systeme von höheren Batteriespannungen. Ein gutes Beispiel ist die Photovoltaik (PV), da Solaranlagen modular aufgebaut sind und eine entsprechend skalierbare Energiespeicherung erfordern. Netzunabhängige 24V- oder 48V-Lösungen können ausreichend Spitzenleistung bereitstellen, um Berghütten, abgelegene Wetterstationen oder Mobilfunkmasten zu versorgen, und gleichzeitig genügend Kapazität bieten, um den Betrieb auch über mehrere Tage mit geringer Sonneneinstrahlung aufrechtzuerhalten. Die Konvergenz dieser Anwendungsbereiche nimmt weiter zu. Größere Boote profitieren nicht nur von höheren Batteriespannungen, sondern auch von der Integration von Photovoltaiksystemen. Ähnliches gilt für Wohnmobile, die in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen haben. Auch militärische und andere hochzuverlässige Anwendungen mit hohem Bedarf an Redundanz und Batterieleistung sind geeignete Kandidaten für den Übergang von 12V- auf 24V- oder 48V-Systeme. RECOM bietet zudem eine 48V-batteriebetriebene AC-Stromversorgung für maritime Anwendungen, die 3-Phasen 115VAC mit einer Ausgangsleistung von 1200VA bereitstellt.

Werden Batterien zur Versorgung empfindlicher elektronischer Geräte oder Funksysteme eingesetzt, ist eine stabile, geregelte Versorgungsspannung entscheidend. Spannungsregler müssen effizient arbeiten, um die gespeicherte Energie optimal zu nutzen, und einen großen Eingangsspannungsbereich abdecken, um Schwankungen zwischen voll geladener und entladener Batterie auszugleichen. In vielen Anwendungen ist zudem eine galvanische Isolation erforderlich, um Erdschleifen zu vermeiden und Geräte vor Spannungsspitzen oder elektromagnetischen Störungen, etwa durch Blitzeinschläge, zu schützen. Grundsätzlich gilt: Je anspruchsvoller die Umgebung, desto höher die Anforderungen an die Isolationsbarriere.

RECOM bietet eine breite Auswahl an kosteneffizienten, nicht isolierten Subminiatur-Spannungsreglern für Board-Level-Stromversorgungen. Diese eignen sich besonders für batteriebetriebene Geräte mit großem Eingangsspannungsbereich, hohem Wirkungsgrad und sehr niedrigem Standby-Stromverbrauch, wie etwa die RPM- und RPX-Serie. Ergänzend dazu stehen isolierte DC/DC-Wandler mit 4:1-Eingangsspannungsbereich zur Verfügung, die für 12V- und 24V-Systeme (9–36V) sowie 24V- und 48V-Systeme (18–75V) geeignet sind. Für universelle Anwendungen bietet die RPA150E-Serie 150W geregelte, isolierte Ausgangsleistung bei einem Eingangsspannungsbereich von 9–60VDC und deckt damit 12V-, 18V-, 24V- und 48V-Batteriesysteme mit einem einzigen Achtel-Brick-Bauteil ab. Als isolierter DC/DC-Wandler mit internem Planartransformator kann er zudem als Stabilisator für 24V- oder 48V-Busspannungen eingesetzt werden und liefert eine konstante, kurzschlussfeste Ausgangsspannung, unabhängig davon, ob die Eingangsspannung über, unter oder auf dem Niveau der Ausgangsspannung liegt.

Die Kombination aus höheren Busspannungen und leistungsfähiger Leistungselektronik erweitert die Einsatzmöglichkeiten deutlich. Auch Computeranwendungen, sowohl in Rechenzentren als auch in mobilen Systemen wie Laptops, profitieren von diesen Vorteilen. Bei großen, kontinuierlichen Lasten ist es besonders vorteilhaft, die Energiespeicherung möglichst nahe an der Last zu platzieren, sowohl physisch als auch auf Spannungsebene. Dadurch lässt sich das Systemdesign optimieren und der Energieverbrauch reduzieren, der maßgeblich die Betriebskosten in Rechenzentren bestimmt. Dies wird durch Batterie-Backup-Einheiten erreicht, die direkt am Eingang des Systems integriert sind und Energie ohne Übergangszeit bereitstellen.

So wie 12V-Batterien den Weg für 24V-Systeme geebnet haben, ermöglichen 24V-Batterien den Übergang zu 48V-Anwendungen. Die Zusammenfassung mehrerer Zellen zu Akkupacks mit höherer Spannung reduziert den Integrationsaufwand und erhöht die Systemeffizienz. 24V-Batterien stellen dabei einen optimalen Kompromiss zwischen 12V- und 48V-Systemen dar. Ähnlich wie in elektrischen Versorgungsnetzen profitieren viele Anwendungen von steigenden Verteilerspannungen.

[1] RECOM, “What is energy storage?” RECOM Blog, Nov 4, 2022, https://recom-power.com/en/rec-n-what-is-energy-storage--233.html
[2] IEA, “Motor-driven system electricity use as a share of electricity use by industry subsector,” IEA, Paris,https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/motor-driven-system-electricity-use-as-a-share-of-electricity-use-by-industry-subsector (abgerufen am 3. Januar 2023).