INNOVATIE: De komst van 48 volt aan boord

Vrijwel aan het oog onttrokken voltrekt zich tussen het plaatwerk en de binnenbekleding van de auto een grote revolutie: naast het vertrouwde boordspanningsnetwerk van 12 volt krijgen we er een 48-voltsysteem bij. Je hoeft je geen zorgen te maken dat je je telefoonlader bij het inpluggen opblaast; het is een netwerk voor grootverbruikers. Aan het eind van de vorige eeuw werkte de auto-industrie al aan een verhoging van de boordspanning van 12 naar 42 volt. Een hogere spanning zou makkelijker het hoofd kunnen bieden aan de voortdurend stijgende energiebehoefte van steeds meer en vooral steeds grotere elektriciteitsverbruikers. Uiteindelijk is er van dat hele 42-voltverhaal niets terecht gekomen; het was te duur. Nu, bijna twintig jaar later, wordt er opnieuw aan een spanningsstijging gewerkt – een iets grotere zelfs. We krijgen nu geen 42, maar 48 volt. De eerste auto's met die hogere spanning worden al verkocht. Dat het toen niets werd en nu waarschijnlijk wel, is voor een belangrijk deel te wijten aan de uitstootnormen. Van Hyundai tot Bosch en van Ford tot Mercedes-Benz, over de hele breedte werkt de auto-industrie aan 48-voltsystemen. En de Audi SQ7 en de Renault Scénic staan er al mee in de showroom.

Meer vermogen
Nog steeds neemt per modelgeneratie het aantal elektriciteitsgebruikers toe. En daar lijkt vooralsnog geen eind aan te komen. Bij de grotere auto's, zoals de met veiligheid- en comfortverhogende systemen volgebouwde BMW 7-serie en Mercedes S-klasse, begint het maximum aantal elektriciteitsverbruikers echter in zicht te komen: het vermogensplafond lijkt bereikt. Dat vermogen is het product van de spanning maal de stroomsterkte (P = U x I). In een 12-volt boordnetwerk ligt de bovengrens in de buurt van de 250 ampère, wat betekent dat voor stroomverbruikers maximaal 3 kW beschikbaar is. Wanneer er bij een spanning van 12 volt nog meer vermogen gevraagd wordt, dan wordt de stroomsterkte te hoog en zijn er grotere dynamo's en vooral ook dikkere kabels nodig. Bij een totale kabellengte van een kilometer of drie in de gemiddelde auto betekent dat een behoorlijke gewichtstoename. Door de spanning te verhogen naar 48 volt kan er bij een gelijkblijvende maximale stroom van 250 ampère vier keer zo veel vermogen worden geleverd zonder dat de kabelboom noemenswaardig zwaarder hoeft te worden. En een boordspanning van 48 volt biedt nog meer voordelen. Veel componenten werken efficiënter op een hogere spanning. Daarnaast kan er met het extra beschikbare elektrische vermogen een hele groep onderdelen worden geëlektrificeerd die nu nog veelal mechanisch wordt aangedreven, zoals de stuurbekrachtingspomp, de aircopomp en de vacuümpomp van het remsysteem. Door deze groep componenten door de elektronica slim te laten aansturen, wordt er daarbovenop nog eens een efficiencyslag gemaakt. De grote drijfveer voor de auto-industrie om over te stappen naar 48 volt, is echter een andere: er kan met 48 volt namelijk worden gehybridiseerd. We kennen nu al de 12-volt microhybride (recuperatie en ondersteuning bij start-stop), maar met 48 volt kan er ook echt worden aangedreven. Dan gaat het al snel richting mild hybrid, waar tot snelheden van pak 'm beet 30 km/h elektrisch kan worden gereden en er over een breed spectrum elektrische ondersteuning is.

Vergeleken met een hoogspanningsnetwerk van 300 of 400 volt, zoals we dat zien in conventionele hybrides en plug-in hybrides, heeft een 48-voltsysteem als voordeel dat het minder zwaar is, minder geld kost en dat het geen extra veiligheidsvoorzieningen vergt. Kortom, redenen genoeg om de spanning op te voeren naar 48 volt.

Parallelle netwerken
Het 48-voltnetwerk komt overigens niet in de plaats van het 12-voltsysteem, maar is een aanvulling. Voor veel elektriciteitsverbruikers is 48 volt te veel van het goede en ook nergens voor nodig. Denk hierbij aan elektronica, maar bijvoorbeeld ook aan beperkte verbruikers als de bediening van elektrische ramen. Dat gaat prima op 12 volt en dat zal ook zo blijven. Het 48-voltsysteem werkt dus parallel aan het bestaande 12-voltnetwerk. Hoe de twee systemen aan elkaar gekoppeld zijn, kan variëren. Er zijn diverse lay-outs mogelijk. In de meeste systemen die tot nu toe zijn gepresenteerd, zijn de twee netwerken (met elk een eigen accu) aan elkaar geknoopt met een gelijkstroomomzetter (een DC/DC-omzetter) waar de spanning van 12 naar 48 volt wordt omgezet of juist van 48 naar 12, afhankelijk van het gegeven of er een 12-volt- of 48-voltdynamo wordt gebruikt. Een netwerk met de 12-voltdynamo (zoals in de Audi SQ7) is simpeler en goedkoper, maar is al snel in het nadeel omdat die slechts tot een (te beperkt) maximumvermogen kan werken. Daarbij is de mogelijk te recupereren remenergie minder. De 48-voltdynamo (zoals in de Renault Scénic) kan meer remenergie opvangen, meer vermogen leveren en zodoende beter aan de vraag voldoen van het almaar uitdijende boordnet. Daarnaast kan die 48-voltdynamo ook serieus z'n bijdrage leveren als elektromotor in de hybride aandrijflijn. En dat laatste, dáár is het de autofabrikanten natuurlijk om te doen.

Nu mag de gemiddelde CO2-uitstoot van in Europa verkochte auto's per fabrikant niet boven de 130 gram uitkomen, maar vanaf 2021 is dat nog maar 95 gram. In China mag het vanaf 2020 nog maar 117 gram zijn en in Amerika, waar het aan de CO2-uitstoot evenredige brandstofverbruik de norm is, moet het gemiddelde verbruik dalen van de huidige 27 mijl per gallon naar 54,5 mijl in 2025. Kortom, er moeten flinke stappen worden gezet. En dat mag wel geld kosten, maar liever niet te veel. 48 volt kan hierbij helpen; afhankelijk van wie je spreekt, gaat het bij mild hybrids op 48 volt om verbruiks- c.q. CO2-uitstootreductie die tussen de 10 en 20 procent liggen.

In de showroom
Veel van de benodigde techniek komt uit de koker van onderdelenleveranciers als Bosch, Continental en Delphi. Continental en Delphi verwachten dat in 2025 één op de tien verkochte auto's een 48-volt mild hybride is. Bosch start in 2017 met de serieproductie van 48-voltssystemen en verwacht dat er al in 2020 wereldwijd 4 miljoen nieuwe auto's met een 48-volt mild hybrid-aandrijflijn rondrijden. Dat is in lijn met de 28 miljoen 48-volters die Conti in 2025 verwacht.

In een conceptstudie laat Delphi zien dat bij een Honda Civic met een 1,6-liter dieselmotor dankzij een 48-volt hybridesysteem een CO2-reductie van 15 procent mogelijk is. Bij Delphi wordt bij dit soort systemen gesproken over een inkoopsprijs voor autofabrikanten van € 600 tot € 900. Dat is beduidend goedkoper dan een hoogspanningshybridesysteem. Jeff Owens, chief technology officer van Delphi: 'Een 48-volt mild hybrid is goed voor ongeveer 50 tot 70 procent van de brandstofbesparing die een hoogspanningshybride oplevert, maar doet dat voor slechts 30 procent van de kosten van hoogspanningshybridetechniek.'

Continental toonde in samenwerking met Ford ook een studiemodel op basis van een Focus met een 1,0-liter benzinemotor, waarbij dankzij onder meer 48-volthybridisering een besparing van 13 procent mogelijk is. En Continental houdt het niet alleen bij studiemodellen als het om 48 volt gaat. De Duitsers hebben samen met Renault een 48-volt hybridesysteem ontwikkeld dat inmiddels al gewoon bij Renault in de prijslijst staat. In combinatie met de 110 pk sterke dieselmotor is de Renault Scénic namelijk verkrijgbaar als 110 dCi Hybrid Assist. Met deze techniek heeft de handgeschakelde auto een CO2-uitstoot van slechts 92 gram. Direct voordeel van die bescheiden CO2-uitstoot is een lagere bpm, zodat de auto – ondanks z'n extra techniek – met een consumentenprijs van € 32.160 bij ons als goedkoopste diesel-Scénic in de prijslijst staat. Met z'n handgeschakelde zesbak is de dieselmild hybrid namelijk € 2.000 goedkoper dan de niet-hybride 110 dCi met EDC (Renaults versnellingsbak met dubbele koppeling).

Hogere prestaties
Dat we dieselmotoren met 48-volt hybridesystemen zien, is niet helemaal toevallig. De toch al lage CO2-uitstoot van de dieselmotor wordt immers nog verder verlaagd, al is dat misschien niet eens het belangrijkst. Er is nog iets anders: NOx. Dankzij de ondersteuning van de elektromotor hoeft de dieselmotor minder te pieken en kan hij zo veel mogelijk uit het kritische gebied gehouden worden waar de NOx ontstaan. Dit voorkomt verdere motorinterne maatregelen en levert een directe kostenbesparing op in het uitlaatgasnabehandelingstraject. En nu we toch bij de uitlaat zijn: dankzij de hogere spanning zijn katalysatoren sneller voor te verwarmen, zodat de uitstoot van schadelijke stoffen bij een koude start verder wordt teruggedrongen. En ook bij hybrides waarvan de verbrandingsmotor soms dusdanig lang buiten bedrijf is dat de kat tot onder z'n werkgebied afkoelt, kan de katalysator weer snel op bedrijfstemperatuur worden gebracht.

Twee jaar geleden liet Kia al een studiemodel zien op basis van de Optima met een 1,7-liter CRDI-dieselmotor: de Optima T-Hybrid met een 48-volt hybridesysteem. Bij deze auto wordt de CO2-uitstoot teruggebracht van 128 naar 99 gram per kilometer, terwijl aan de andere kant de prestaties toenemen. Nu gebiedt de eerlijkheid te zeggen dat Kia de 48 volt niet alleen gebruikt voor hybridisering, maar ook voor de voeding van een elektrische compressor in het inlaatkanaal. Dat is precies wat Audi ook doet in de nieuwe SQ7; ook die rappe SUV heeft namelijk een elektrische compressor. Zo'n elektrische luchtpomp reageert namelijk veel sneller dan een turbocompressor, die het moet hebben van uitlaatgassen.

Elektrisch onderstel
De elektrische compressor is niet de enige 48-volttoepassing in de Audi SQ7. De auto is ook voorzien van elektromechanische torsiestabilisatoren (eAWS). De linker- en de rechterhelft van de stabilisatorstang zijn met elkaar verbonden via een compacte elektromotor (Audi zegt 1,5 kW en 1.200 Nm) en een planetair stelsel. Bij een op comfort georiënteerde rijstijl doet de elektromotor niets en zijn de helften als het ware van elkaar losgekoppeld. Gaat het er sportiever aan toe, dan komen de elektromotoren (voor en achter onafhankelijk van elkaar te regelen) in actie. De potentiële bewegingsenergie in de koets kan zelfs door de elektromotoren (die dan als dynamo werken) in de vorm van elektriciteit worden opgevangen.

Het merk heeft voor de toekomst nog meer in petto met 48 volt. Een mooi voorbeeld is de elektromechanische rotatieschokdemper, die nog het meest doet denken aan de wrijvingsdemper uit de jeugdjaren van de auto. In plaatst van mechanische wrijving is er nu een dynamo die de bewegingsenergie opvangt. Op deze manier verdwijnt de beweging van de koets in de accu. Kom er maar eens op. Ga er gerust vanuit dat het 48-voltboordnet zich de komende jaren als een olievlek door de auto zal verspreiden.

Dit artikel is afkomstig uit AutoWeek 2-2017 en is na te bestellen via deze link.