In de werkplaats zien we de laatste jaren een toenemend aantal hybride voertuigen. Er zijn verschillende soorten hybrides. Er zijn hybrides met een Hoogvolt (HV) systeem, deze werken met spanningen van 250 - 400 Volt. Daarnaast zijn er zogenoemde mild hybrids. De meeste mild hybrids hebben geen HV-systeem. Ze werken wel met een verhoogde spanning van 48 V. Dit heeft specifieke voordelen. Maar waarom kiezen fabrikanten voor deze technologie? En hoe werkt het precies? Dat leggen we hier uit.
In moderne voertuigen biedt een 48 V-systeem verschillende voordelen. Voor fabrikanten helpt het om aan strenge emissienormen te voldoen. Door de spanning te verhogen van 12 V naar 48 V kan meer energie worden teruggewonnen tijdens het afremmen. Deze grotere hoeveelheid energie kan vervolgens worden ingezet bij het herstarten van de motor en zelfs bij het wegrijden vanuit stilstand. Hoe werkt dit? Met de extra energie uit het 48 V-systeem kan de Mild Hybrid Starter Generator (MHSG) de verbrandingsmotor tijdelijk ondersteunen met een maximaal vermogen van 12 kW en een maximaal draaimoment van 50 Nm. Als je regelmatig de verbruiksmeter van je auto in de gaten houdt, weet je dat een verbrandingsmotor de meeste brandstof verbruikt bij het wegrijden vanuit stilstand. Een 48 V-systeem kan de verbrandingsmotor in deze onzuinige fase ondersteunen, wat leidt tot een aanzienlijke vermindering van het brandstofverbruik en daarmee de CO2-uitstoot.
Kleiner turbogat
Het hogere vermogen van de 48 V mild hybrid starter generator heeft nog meer voordelen. De verbrandingsmotor kan bij het starten direct iets boven stationair toerental draaien. Dit zorgt voor een soepele, snelle en comfortabele wegrij-ervaring. Bovendien wordt de tijd die de motor nodig heeft om aan te slaan aanzienlijk verkort ten opzichte van traditionele 12 V start-stopsystemen. Een ander pluspunt – en dit heeft niet per se met het milieu te maken – is dat je de verbrandingsmotor kunt voorzien van een (iets) grotere turbo. Tijdens het wegrijden vanuit stilstand functioneert het 48 V-systeem als het ware als trapondersteuning op een elektrische fiets. Dat maakt het traditionele turbogat kleiner. Dus kan er een iets grotere turbo worden gemonteerd, wat positief bijdraagt aan het maximale koppel en vermogen van de verbrandingsmotor.
Meer verbruikers
Milieuoverwegingen zijn niet de enige reden voor de overstap naar een 48 V-systeem. De toenemende hoeveelheid elektrische verbruikers in voertuigen is een andere reden om naar 48 V over te stappen. In een traditioneel 12 V-boordnet kan doorgaans maximaal 250 A aan stroom worden geleverd om aan de vraag van alle verbruikers te voldoen. Bij hogere stromen zouden nog dikkere kabels nodig zijn. Dat maakt het voertuig niet alleen zwaarder. Het kan ook leiden tot meer storingen en thermische verliezen. Dit is een punt van aandacht, aangezien een modern voertuig vaak ruim 6 kilometer aan bekabeling bevat. Bovendien kan een standaard 12 V-dynamo niet meer dan 250 A leveren.
Grotere energiebehoefte
Het aantal elektrische verbruikers in voertuigen blijft toenemen. Strengere emissienormen vereisen de komst van nieuwe componenten zoals verwarmbare katalysatoren en 48 V elektrisch aangedreven turbo’s. Door naast het bestaande 12 V-systeem een parallel 48 V-systeem te installeren, kunnen fabrikanten deze krachtige verbruikers van energie voorzien. De noodzaak van een 48 V-systeem in moderne voertuigen met veel elektronica wordt dus steeds duidelijker.
Gewichtsbesparing
Behalve heel slim is een 48 V-systeem heel efficiënt. In tegenstelling tot een hybride of volledig elektrische variant van een bestaand voertuig zorgt een 48 V-systeem niet voor een extreme gewichtstoename. Een gemiddeld voertuig wordt tussen de 50 en 100 kg zwaarder door de toevoeging van een mild hybride-systeem. Ook technisch gezien is een mild hybride-systeem relatief eenvoudig van opzet.
Samengevat biedt het 48 V-systeem drie belangrijke voordelen:
- een lagere uitstoot bij gelijkblijvende of zelfs verbeterde voertuigprestaties
- het (elektrische) vermogen om aan de hogere energiebehoefte van het moderne boordnet te voldoen
- een lagere gewichtstoename ten opzichte van een HEV/PHEV/EV
Hoe werkt het 48 V-systeem?
Wereldwijd zijn er slechts enkele producenten van 48 V-systemen voor de automotive sector. Dit zijn bijvoorbeeld Bosch, Valeo en Mobis (Hyundai/KIA). Voertuigfabrikanten kopen deze systemen direct in bij deze leveranciers. Hierdoor hoeven zij zelf geen kostbare research & development te doen en blijft het systeem relatief betaalbaar. Ook voor autotechnici die later met deze systemen werken, biedt het beperkte aantal leveraciers voordelen. Er zijn geen talloze varianten, waardoor de verschillende 48 V-systemen over het algemeen volgens dezelfde principes werken. Hier volgt een overzicht van de onderdelen van het 48 V-systeem.
[fotobijschrift] Overzicht onderdelen 48 V-systeem
1: De 48 V-accu
Door zijn compacte afmetingen wordt deze accu vaak onder de bestuurders- of passagiersstoel geplaatst, of in de kofferbak op de plek waar zich normaalgesproken het reservewiel bevindt. De 48 V-accu is doorgaans een lithium-ion accu met 12 cellen van ongeveer 3,7 V per stuk.
[fotobijschrift] Cellen in de 48 V-accu
De accu beschikt over een eigen Battery Management System (BMS) zoals we dat kennen uit hybride en elektrische voertuigen. Dit regelapparaat, dat wel ‘gewoon’ op 12 V werkt, monitort de celspanningen en -temperaturen en stuurt de contactor aan.
De laadtoestand (State of Charge, SOC) van de 48 V-accu schommelt rond de 50 % zodat er altijd ruimte is om energie op te kunnen slaan wanneer dat gewenst is. De minpool van de 48 V-accu is net als bij het 12 V-systeem aangesloten op de carrosserie (massa).
2: De DC/DC-converter
Het 48 V-systeem vervangt het 12 V-systeem niet! Het 12 V-systeem blijft geschikt voor tal van toepassingen zoals verlichting, infotainment, en raambediening. Wat echter ontbreekt in een 48 V-systeem is de 12 V-dynamo. In plaats daarvan wordt een DC/DC-converter geïnstalleerd. Deze converteert gelijkspanning van 48 V naar ± 14 V om de 12 V-accu op te laden. Daarnaast zijn er enkele fabrikanten die de DC/DC-converter ook in omgekeerde richting gebruiken. In geval van problemen kan de 48 V-accu op deze manier via een 12 V-acculader worden opgeladen.
3: De 12 V-accu
Niet elk voertuig met een 48 V-systeem heeft een aparte 12 V-accu. Ook niet als er wel een 12 V-boordnet aanwezig is. Bij sommige voertuigen wordt dit boordnet namelijk rechtstreeks gevoed vanuit de DC/DC-converter. In voertuigen die wel een 12 V-accu hebben, betreft dit meestal een eenvoudige loodaccu met voldoende capaciteit (meestal tussen 45 en 60 Ah). Deze loodaccu is nodig omdat de meeste voertuigen met een 48 V-systeem beschikken over een 12 V-startmotor voor de eerste (koude) start van de motor. De loodaccu is ook handig als back-up bij storingen in het 48 V-systeem. De keuze voor een loodaccu heeft te maken met de werking van de DC/DC-converter, die de laadspanning voor de 12 V-accu constant houdt. Deze eigenschap sluit goed aan bij de voorkeur van loodaccu’s om steeds volledig opgeladen te blijven.
4: De 48 V-dynamo
Dit component kan verschillende namen hebben. Bijvoorbeeld MHSG (mild hybrid starter generator), ISG (integrated starter generator) of BSG (belt driven starter generator). Voor de eenvoud noemen we het onderdeel in dit artikel de ‘48 V-dynamo’. Toch zijn de eerdergenoemde benamingen eigenlijk nauwkeuriger omdat ze de gecombineerde start- en generatorfunctie van dit component beter omschrijven. De 48 V-dynamo laadt de 48 V-accu op, voornamelijk tijdens deceleratie (vertragen). Dit kan gebeuren door simpelweg het gas los te laten (coasting) of door actief te remmen.
Als er langdurig wordt gereden zonder te decelereren, bijvoorbeeld op de snelweg, kan de dynamo periodiek worden ingeschakeld om de 48 V-accu in de gewenste laadtoestand (SOC) te houden. Om echter aan emissienormen te voldoen, wordt het laadsysteem zoveel mogelijk uitgeschakeld wanneer de omstandigheden dat toelaten. Dit is vergelijkbaar met een intelligent laadsysteem bij een normale 12 V-installatie.
Tijdens het laden wordt de dynamo aangedreven door de verbrandingsmotor. Na activering van het start-stopsysteem start de 48 V-dynamo de verbrandingsmotor opnieuw. In deze situatie fungeert de dynamo als aandrijver van de verbrandingsmotor. De multiriem beschikt daarom over een complexe spaninrichting die beide kanten op kan werken.
[fotobijschrift] Spaninrichting voor de starter-generator-riem
Zoals eerder besproken start de dynamo de motor met een toerental boven stationair. Zo kan het voertuig snel, soepel en comfortabel wegrijden. De tijd die nodig is om de motor te starten is ongeveer 0,2 tot 0,4 seconden korter dan bij een traditionele 12V-startmotor. Bij verschillende mild hybrid-modellen van Mercedes-Benz is de starter generator tussen de verbrandingsmotor en de versnellingsbak geplaatst. Vandaar de benaming ‘integrated starter generator’. Bij de meeste andere merken bevindt de 48 V-dynamo zich op de plaats waar voorheen de 12 V-dynamo zat gemonteerd. Dankzij de vergelijkbare afmetingen kan de inbouwpositie van de 12 V-dynamo worden hergebruikt.
Aandachtspunten voor de werkplaats
In rust, of met het voertuig op contact, is het 48 V-systeem uitgeschakeld. Schrik dus niet als er in de werkplaats een spanning van 0 V op de 48 V-accu wordt gemeten! Op een nieuwe accu in ongemonteerde toestand meet je gegarandeerd dezelfde waarde!
Voordat het 48 V-systeem inschakelt, doet het systeem een zelftest. Meestal betekent dit dat de DC/DC-converter een spanningspuls op de B+ kabel richting de 48 V-accu zet. Als het BMS deze spanningspuls ‘ziet’ dan ‘weet’ het BMS dat de dikke voedingskabel in orde is. Vervolgens sluit het BMS de contactor in de 48 V-accu.
[fotobijschrift] Geopende 48 V accu
Niet openmaken!
Open de 48 V-accu niet! Bij de meeste fabrikanten zit de printplaat van het BMS in het deksel van de 48 V-accu. Door het deksel te demonteren, gaan de koperen verbindingsstrips tussen de accucellen en het BMS stuk.
Storingen en starthulp
Een storing in het 48 V-systeem zorgt in veel gevallen uiteindelijk ook voor een lege 12 V-accu. Ongeacht of het voertuig voor de eerste motorstart de 12 V-startmotor of de 48 V-dynamo gebruikt, zal een storing uiteindelijk resulteren in een voertuig dat niet wil starten. Starthulp geven met een mild hybrid wordt afgeraden. Als de spanning van de 12 V-accu te laag wordt, gaan er vanuit de DC/DC-converter enorm hoge stromen lopen om de 12 V-accu weer op te laden. Deze hoge stromen kunnen zorgen voor schade aan de DC/DC-converter. Starthulp ontvangen van een ander voertuig is geen probleem.
Uitlezen
Elk component van het 48 V-systeem (accu, dynamo en DC/DC-converter) heeft een eigen regelapparaat (ECU) dat ‘gewoon’ op 12 V werkt. De componenten communiceren via een databus. Ieder component van een mild hybrid-systeem is dus uit te lezen met een diagnosetester. Dit helpt bij het stellen van een diagnose bij eventuele storingen.
[Fotobijschrift] Uitleesmogelijkheden 48 V-systeem
Auteur: Koen Hermkes, technisch trainer
Deel deze pagina met je netwerk!