Wird 48V die 24V-Stromversorgung in der Industrie ablösen?

Grafik des Batteriesystems in einem Elektrofahrzeug
Die meisten Steuersysteme in der Industrie arbeiten mit einer 24VDC Stromversorgung. Diese Spannung wurde aus mehreren guten Gründen gewählt: Sie ist hoch genug zum Betrieb von Ventilen, Magnetventilen und Relais, zugleich aber niedrig genug, um als berührungssicher im Sinne der SELV-Richtlinien zu gelten. Außerdem entspricht sie der Standardspannung von Blei-Säure-Batterien, was die Implementierung redundanter Backup-Systeme erleichtert. Mit steigenden Leistungsanforderungen wird die 24V Versorgung jedoch zunehmend ineffizient, insbesondere bei längeren Kabelstrecken, da der höhere Stromfluss zu deutlichen Leitungsverlusten führt.

Wenn die DC-Versorgungsspannung von 24V auf 48V erhöht wird, halbiert sich die Stromstärke und die Kabelverluste sinken auf ein Viertel. Dadurch können mit demselben Versorgungskabel bis zu viermal so viele Lasten betrieben werden.

Der Hauptgrund, warum 48V nicht anstelle von 24V als Standard-Versorgungsspannung in der Industrie etabliert wurde, liegt darin, dass 48V Blei-Säure-Batterien früher einfach zu groß und schwer waren und es nur wenige DC/DC-Wandler und Regler gab, die mit solchen hohen Eingangsspannungen arbeiten konnten. Selbst 24V Versorgungen werden häufig auf eine intermediäre Busspannung von 12V heruntergesetzt, um lastnahe Wandler zu speisen, die wiederum Schaltungen mit niedrigen Spannungen wie 1V, 2,5V oder 3,3V versorgen.

RECOM-Leistungsmodule zur Darstellung der erhöhten DC-Versorgungsspannung von 24V auf 48V


Wie GaN-Technologie und Automobiltrends 48V praxistauglich machen

In letzter Zeit haben zwei Entwicklungen zu einem grundlegenden Wandel geführt und machen Stromversorgungen mit 48V deutlich attraktiver.

Der erste Impulsgeber ist GaN-HEMT. Diese neue Art von Schalttransistoren kann deutlich schneller schalten als siliziumbasierte Technologien. Wird ein 100kHz DC/DC-Abwärtswandler zur effizienten Herabsetzung von 48V auf 1,2V eingesetzt, beträgt das Tastverhältnis 40:1. Kommt eine Lastregelfähigkeit von 1% hinzu, muss der Schalttransistor ein PWM-Signal mit weniger als 2,5ns Jitter verarbeiten. Das liegt an der Grenze herkömmlicher Schaltreglertechnologie, liegt jedoch problemlos innerhalb der Spezifikation von GaN-Transistoren, wodurch Wandler von 48V auf 1V praktisch realisierbar werden.

PWM-Steuersignal eines 48V-zu-1V-Abwärtswandlers

PWM-Steuersignal eines 48V-zu-1V Abwärtswandlers
Grafik eines Mild-Hybrid-Elektrofahrzeugs
Der zweite Impulsgeber sind Mildhybrid-Elektrofahrzeuge. Ein Mildhybrid ist wie ein Standardfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer 12V Blei-Säure-Batterie ausgestattet, verfügt jedoch zusätzlich über eine 48V Lithium-Ionen-Batterie und einen Elektromotor.

Die 48V Batterie kann das Fahrzeug für die ersten hundert Meter nach dem Anfahren rein elektrisch antreiben, sodass ein kleinerer und effizienterer Motor eingesetzt werden kann, ohne die Beschleunigung zu beeinträchtigen. Das bedeutet auch, dass im dichten Stop-and-Go-Verkehr der Verbrennungsmotor abgeschaltet bleiben kann. So können Fahrzeughersteller die neuesten Energieeffizienzstandards im Stadtverkehr erfüllen, ohne das gesamte Fahrzeug neu konstruieren zu müssen.

Die 48V Batterie ermöglicht höhere elektrische Spitzenlasten als ein 12V System, sodass Klimaanlage, Servolenkung und Turbolader bei Bedarf elektrisch betrieben werden können und nicht dauerhaft mechanisch mit dem Motor verbunden sein müssen. Mit geeigneten Steuerungsalgorithmen lässt sich die Gesamteffizienz des Fahrzeugs deutlich steigern.

Für Industrieanwendungen bedeutet das, dass 48V Lithium-ionen-Batterien bald ein kostengünstiges Massenprodukt werden. Da Lithium-Ionen-Batterien kompakter und leichter als äquivalente Blei-Säure-Batterien sind, eignen sie sich ideal als Speicher einer Backup-Versorgung für Systeme mit 48V.

Der Hauptunterschied zwischen einer 48V Blei-Säure-Batterie und einer 48V-Lithium-Ionen-Batterie sind die zulässigen Spannungsbereiche. Die herkömmlichen Telekommunikationsstandards für die Eingangsversorgung eines 48V DC/DC-Wandlers basieren auf älteren Ladegeräten für Blei-Säure-Batterien mit einem Ausgangsspannungsbereich von 18–75V. Lithium-Ionen-Batterien dürfen weder überladen noch tiefentladen werden, um Zellschäden zu vermeiden.
Die Grenzwerte sind im Standard LV148 festgelegt:

48-V-Lithium-Ionen-Akku
LV148 48V Lithium-Ionen-Spannungswerte:

48V Lithium-Ionen Spannungsstufen
Deshalb muss ein DC/DC-Wandler, der von einer 48V Versorgung mit Lithium-Ionen-Backup betrieben wird, nicht über einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 verfügen. Ein Bereich von 3:1 (20–60V) ist vollkommen ausreichend. Der ältere Telekommunikationsstandard erlaubte Eingangsspannungen bis zu 75VDC, was jedoch über dem Grenzwert von 60VDC für Schutzkleinspannung (SELV) liegt. Kann eine Industrieinstallation als SELV-System ausgeführt werden, lassen sich erhebliche Kosten bei Verkabelung, Installation und Ausrüstung einsparen. Deshalb ist Power-over-Ethernet (PoE) beispielsweise auf 56VDC begrenzt.

Industrielle Stromversorgung mit 48V-Lösungen optimieren

Demzufolge deckt ein DC/DC-Wandler mit einem 3:1-Eingangsspannungsbereich von 20–60V die Spannungen einer 48V Lithium-Ionen-Batterie, gut geregelte (±10%) Standard-Stromversorgungen mit 24V, 36V und 48V für DIN-Schienen sowie die Versorgungsspannungen von PoE-Systemen ab.

Die Baureihe RS3-Z von RECOM umfasst 3W DC/DC-Miniaturmodule mit bis zu 3kV Isolation für den neuen 48V Versorgungsstandard. Es stehen geregelte Ausgangsspannungen von 3,3V, 5V, 9V, 12V, 15V, ±3,3V, ±5V, ±12V und ±15V zur Verfügung, um eine Vielzahl von Sensoren, Überwachungsgeräten, ADCs, DACs und isolierten Datenbussen bei Eingangsspannungen von 20V bis 60V zu versorgen. Die Wandler sind gegen Feuchtigkeit und Schmutz abgedichtet, arbeiten im Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C und sind UL- sowie EN-zertifiziert – ideal für industrielle Anwendungen.

RECOM bietet außerdem eine Baureihe einphasiger AC/DC-Stromversorgungen für DIN-Schienenmit 48V Ausgängen und Ausgangsleistungen von 120W, 240W oder 480W an. Die Einheiten können bis zu 150% Mehrleistung für Lasten mit hoher Anlaufstromanforderung bereitstellen und lassen sich parallel schalten, um die Ausgangsstromstärke zu erhöhen. Für den industriellen Einsatz sind sie vollständig UL-, IEC- und EN-zertifiziert.
Anwendungen
  Serie
1 RECOM | RS3-Z Series | DC/DC, THT, 3 W
  • 2:1 and 3:1 wide input voltage ranges
  • 1kVDC, 2kVDC and 3kVDC isolation
  • UL94V-0 package material
  • Continuous short circuit protection