In verschiedenen Industrie- und Verbraucherumgebungen beschleunigt sich die Elektrifizierung von Produkten, Systemen und Prozessen, angetrieben von fortschrittlichen elektronischen Technologien, die traditionelle hydraulische und pneumatische Methoden ersetzen. Im Rahmen dieser Veränderungen ist der Elektrifizierungsprozess in der Transportbranche besonders deutlich erkennbar. Die Zahl der mit modernsten Funktionen und reinen Elektroantrieben ausgestatteten Fahrzeuge hat rekordverdächtig zugenommen. In diesem Artikel werden der aktuelle Stand und die Trends der Entwicklung der Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen sowie die von Molex angebotenen Lösungen vorgestellt.
Die Herausforderungen auf dem Weg zur Elektrifizierung des Automobils
Der Weg zur Elektrifizierung des Automobils bringt nicht nur den rasanten Aufstieg reiner Elektroantriebe mit sich, die die seit langem eingesetzten Verbrennungsmotoren ersetzen, sondern auch eine deutliche Zunahme elektrischer Komponenten in konventionellen Fahrzeugen. Viele wichtige Systeme, die früher auf mechanischen Strukturen beruhten, nutzen heute elektronische Geräte zur Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit, wie zum Beispiel Bremsassistenten und Systeme zur elektronischen Servolenkung (EPAS). Derzeit entwickeln sich Lösungen zur Unterstützung fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS) rasch weiter hin zum ultimativen Ziel des vollständig autonomen Fahrens.
In den letzten Jahren ist die Anzahl an Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) weltweit stetig gestiegen und dürfte bis 2025 20 % aller Neuwagenverkäufe ausmachen. Trotz vielversprechender Aussichten steht die Elektrifizierung der Automobilindustrie noch immer vor zahlreichen Hindernissen. Um einen Markt zu erobern, dessen Wert auf $236,3 Milliarden geschätzt wird (mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 10,6 %), stehen die Automobilhersteller noch immer vor vielen Herausforderungen, wie etwa der Verbreitung elektronischer Systeme und Module, die erhebliche Herausforderungen für die typische elektrische Architektur von Fahrzeugen darstellen.
Um den Anforderungen der Verbraucher gerecht zu werden, können High-End-Fahrzeuge über 100 elektronische Steuergeräte (ECUs) enthalten. Die zunehmende Anzahl von ECUs in Fahrzeugen stellt eine Herausforderung hinsichtlich der Verbindung, Verpackung und Verwaltung dieser Systeme dar, um kritische Befehle zu übertragen und bestimmte Funktionen des Fahrzeugs zu steuern. Durch die Aufteilung des Fahrzeugs in mehrere Zonen können den einzelnen Zonen Funktionen zugewiesen und Informationen je nach Bedarf zwischen den Zonen übertragen werden. Eine zonenbasierte Architektur optimiert und reduziert nicht nur den Gesamtmenge an Verkabelung, sondern integriert auch die Steuergeräte.
Darüber hinaus wird das Wärmemanagement durch die zunehmende Verbreitung elektronischer Geräte in Automobilen (sowohl in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor als auch in Elektrofahrzeugen) zu einer kritischen Herausforderung. Wenn elektronische Geräte wie Computer oder Mobilgeräte überhitzen, schalten sie sich ab, was für Fahrzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit unterwegs sind, verheerende Folgen haben kann.
Die Miniaturisierung und die zunehmende elektrische Ausstattung erfordern eine höhere Bauteildichte. Angesichts schrumpfender Oberflächen in miniaturisierten Systemen besteht bei der Ableitung der gleichen oder einer höheren Wärmemenge auf kleinerem Raum die Gefahr einer Überhitzung, die es zu beherrschen gilt. Wenn sich elektronische Geräte in abgedichteten Steuergeräten und in Fahrzeugbereichen mit extremen Umgebungsbedingungen (wie etwa unter der Motorhaube) befinden, kann sich die Gefahr einer Überhitzung erhöhen. In Verbindung mit der hohen Schaltungsdichte und der erforderlichen geringen Gehäusegröße von Anschlusssystemen der nächsten Generation können unsachgemäß konzipierte Systeme Herausforderungen für das Wärmemanagement mit sich bringen. Thermische Probleme bei Steckverbindern können zu Bedenken hinsichtlich Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer führen, die während der Projektentwurfsphase sorgfältig berücksichtigt werden müssen.
Elektrifizierungs- und Energiemanagementtechnologien lösen eine wissenschaftliche Renaissance aus
Die Weiterentwicklung der Elektrifizierungs- und Energiemanagementtechnologien löst eine wissenschaftliche Renaissance im Energiesektor aus, wo die Batterietechnologie heute eine Reihe von Anwendungen unterstützt, vom Antrieb von Elektrofahrzeugen bis zur Speicherung von Energie für den Einsatz in den Fällen, in denen sie am dringendsten benötigt wird. Regierungen investieren in Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, die Modernisierung des Stromnetzes, die Anbindung ländlicher Gebiete und die Entwicklung abgelegener Gebiete.
Im Rahmen dieser Renaissance haben sich zwei wichtige und eng miteinander verbundene Themen herauskristallisiert: Elektrifizierung und Energiemanagement. Im Rahmen der Elektrifizierung werden Technologien, die herkömmliche Brennstoffquellen nutzen, durch gleichwertige Systeme ergänzt oder ersetzt, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden. Energiemanagement hingegen beschäftigt sich mit der Speicherung, Überwachung und Verteilung von Energie.
Erstens wird durch die Smart-Grid-Technologie eine Netzmodernisierung erreicht, bei der veraltete Infrastrukturen um traditionelle Kraftwerke herum in moderne elektrifizierte Netze oder Smart Grids transformiert werden. Diese Netze werden durch erneuerbare Energiequellen ergänzt und umfassen verschiedene Sensoren, um die Nutzungsmuster genau zu überwachen und Systemfehler zu erkennen, bevor sie zu ernsteren Problemen werden, was von entscheidender Bedeutung ist.
Smart Grids balancieren die Vorteile von konventioneller und erneuerbarer Energie aus. Erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind unterliegen regelmäßigen Ausfallzeiten. Daher kann durch die Einbindung von Batteriespeichersystemen (BESS) in das größere Stromnetz die überschüssige Energie zur späteren Verwendung aufgefangen werden. Da auch der Gesamtverbrauch seinem Rhythmus folgt und periodische Spitzen- und Schwachlastzeiten aufweist, können intelligente Stromnetze Energie dorthin verteilen, wo, wann und aus welcher Quelle sie am dringendsten benötigt wird – sei es konventionelle, erneuerbare oder gespeicherte Energie.
Automobilfunktionen und Elektrifizierungsentwicklungen treiben den 48-V-Standard voran
Seit den 1950er Jahren ist das 12-V-Modell der Standard in der Automobilindustrie und somit der Standard für Fahrzeugdesign und -komponenten. Auch wenn sich Funktionalitäten und Elektrifizierung im Laufe der Zeit weiterentwickelt haben, konnten die Automobilhersteller durch diesen Standard Kosten senken und eine einfache elektrische Architektur beibehalten.
Zwar hat der 12-V-Standard seine Vorteile, doch da moderne Verbraucher zunehmend mehr Leistung und ein besseres Fahrerlebnis fordern, muss auch er weiterentwickelt werden. Mit der Einführung softwaredefinierter Fahrzeuge, der Umstellung auf Mild-Hybrid-Architekturen und zunehmend strengeren Emissionsvorschriften wird das 48-V-Design zunehmend unverzichtbar, um die Anforderungen der Verbraucher und gesetzlichen Vorschriften zu erfüllen.
Zwar bringt die Umstellung auf den 48-V-Standard einige Herausforderungen mit sich, doch ebnen Elektroinnovatoren jetzt den Weg für effizientere Systeme auf Grundlage dieses neuen Standards. Die Umstellung auf einen robusteren Energiestandard kann nicht von heute auf morgen erfolgen. Mehrere Schlüsselfaktoren aus den Bereichen Elektrotechnik und Verbraucher beeinflussen jedoch die Einführung von 48 V als Standard für Mildhybrid- und reine Elektrofahrzeuge durch die Automobilhersteller. Zu diesen Schlüsselfaktoren zählen staatliche Gesetze zur Emissionsreduzierung auf der ganzen Welt und das wachsende Bewusstsein der Verbraucher für den CO2-Fußabdruck, was zu einer starken Präferenz für Hybrid- und Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV) sowie Elektrofahrzeuge mit erweiterter Reichweite führt.
Darüber hinaus nutzen elektrische Turboladersysteme einen Motor, um die Turbine anzutreiben und den Luftstrom in den Motor zu verbessern, wodurch die Motorleistung gesteigert wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Turbolader-Systemen, die mit 12 oder 24 V betrieben werden, benötigen diese elektrischen Turbolader-Systeme eine höhere elektrische Leistung. Sobald sich effizientere und leistungsfähigere elektrische Turboladersysteme zum Standard entwickeln, wird die 48-V-Stromversorgung von entscheidender Bedeutung sein.
Zu den technischen Vorteilen des 48-V-Standards zählen die Reduzierung der Paketgröße, die Einsparung von Produktionskosten, die Bereitstellung einer besseren Funktionalität, die Reduzierung der Emissionen und die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Aus Verbrauchersicht kann der 48-V-Standard die Fahrzeugleistung erhöhen, die Fahrzeugkosten senken und das Fahrverhalten verbessern, weshalb die Entwicklung des 48-V-Standards immer wichtiger wird.
Allerdings ist das 12-V-Design in der Automobilproduktion tief verankert, sodass der Übergang zum 48-V-Standard länger dauern wird als erwartet. Die Geschwindigkeit des Übergangs hängt in gewissem Maße von den Änderungen im Komponentendesign ab, die erforderlich sind, um die technischen Anforderungen des 48-V-Systems zu erfüllen. Dabei spielen auch Überlegungen zu den Produktionsmethoden des Systems selbst und der Kompatibilität mit der vorhandenen Infrastruktur eine Rolle.
Die MX150-Mittelspannungssteckverbinder erfüllen die Anforderungen an ein 48-Volt-Bordnetz
Die von Molex eingeführten Mittelspannungssteckverbinder MX150 sollen der wachsenden Nachfrage nach 48-Volt-Bordnetzen in der Automobilindustrie gerecht werden. Die Einführung von Lösungen im mittleren Spannungsbereich ermöglicht es Kunden ohne Bedenken, ihre elektrischen Fahrzeugsysteme mit entsprechenden Produkten aufzurüsten. Diese Steckverbinder basieren auf dem validierten MX150-Design und bieten zuverlässige und praxiserprobte Lösungen, die den Mittelspannungs-Konnektivitätsanforderungen der Transportbranche gerecht werden.
Das versiegelte Steckverbindersystem MX150 hat sich in der Praxis bewährt und bietet äußerst zuverlässige Leistung bei extremen Temperaturen, unterschiedlich starken Vibrationen sowie bei Einwirkung von Feuchtigkeit und Chemikalien, sodass es für eine breite Palette von Anwendungen geeignet ist. Das versiegelte Steckverbindersystem MX150 bietet Optionen zur Steckverbinder-Positionssicherung (Connector Position Assurance, CPA), die ein versehentliches Trennen der Anschlüsse verhindern, und bietet vormontierte Gehäuse zur Sicherung der Klemmenposition (Terminal Position Assurance, TPA), um sicherzustellen, dass gecrimpte Anschlusskabel korrekt im Steckverbinder verriegelt sind. Zudem verfügt es über eine Zugentlastungskappe zum Schutz der Mattendichtung und zur Gewährleistung einer korrekten Ausrichtung der Klemmen. Der MX150 entspricht dem IEC-Standard 60664-1 und ist zertifiziert, um die strengen Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen, einschließlich der Zertifizierungen USCAR-2, USCAR-21 und GMW3191.
Das MX150 ist in ein- und zweireihigen V0-Versionen erhältlich, um die strengen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, und unterstützt die Verwendung der Mattendichtungstechnologie für MX150-Klemmen (1,50 mm). Dadurch werden separate Kabeldichtungen überflüssig, was die Verpackungsgröße reduziert. Das integrierte Gehäuse mit 3,50 mm Rastermaß bietet einen kompakten Anschluss und trägt so zur Einsparung von Montagekosten bei. Dank der 60-V-Mittelspannungsfähigkeit kann es auf eine 48-V-Verkabelung aufgerüstet werden, was die Aufrüstung auf eine leichtere 48-V-Verkabelung unter Verwendung der bewährten MX150-Formfaktorspezifikationen vereinfacht.
Der MX150 kann in Verbindung mit verbesserter 48-V-Verkabelung für Anwendungen wie Beleuchtung, elektrische Fensterheber oder Wischermotor-Upgrades verwendet werden, sodass vorhandene 12-V-Automobilverkabelungen auf 48 V aufgerüstet werden können, ohne den Anschlusstyp zu ändern. Durch die Verwendung derselben Verpackungsgröße und des gleichen Gehäusedesigns wie beim bewährten MX150-Steckverbinder sind direkte Upgrades von vorhandenen MX150-Steckverbindern möglich, was die Entwicklungskosten beim Upgrade auf 48-V-Verkabelung reduziert.
Der MX150 ist der einzige Automobil-Steckverbinder auf dem Markt, der multifunktionale Niederspannungsoptionen mit einem robusten, abgedichteten Steckverbinderdesign für eine Reihe von Mittelspannungsanwendungen kombiniert und sowohl 48-V- als auch bis zu 60-V-Anwendungen unterstützt. Beim Übergang von der 12-V-Verkabelung zur 48-V-Verkabelung ermöglicht der Mittelspannungsstecker MX150 den Herstellern, den bewährten und robusten Formfaktor des MX150 zu nutzen und so die Entwicklungs- und Designkosten zu senken. Dies ermöglicht den Übergang zu einer 48-V-Verkabelungsarchitektur mit höherer Spannung, wodurch durch die Verwendung kleinerer Kabelgrößen der Kupferverbrauch und das Gewicht reduziert und gleichzeitig der zusätzliche Entwicklungsaufwand und die damit verbundenen Kosten minimiert werden.
Fazit
Die Automobilindustrie erlebt aufgrund der Elektrifizierung tiefgreifende Veränderungen. Dabei geht es nicht nur um die rasante Entwicklung von Elektrofahrzeugen, sondern auch darum, dass herkömmliche Fahrzeuge zunehmend mit einer Vielzahl elektronischer Systeme ausgestattet werden, um Funktionalität und Sicherheit zu verbessern. Diese Veränderungen stellen für die Automobilindustrie erhebliche Herausforderungen und Chancen dar. Molex bietet eine Reihe von Lösungen an, die den Kunden den Übergang von bestehenden traditionellen Methoden erleichtern. Dabei werden alle Zwischenphasen abgedeckt, und das Unternehmen bietet letztlich eine breite Palette an branchenführenden flexiblen Produkten. Diese Lösungen befassen sich unter anderem mit Herausforderungen wie Partitionierungsarchitektur, Wärmemanagement und Geräuschreduzierung. Darüber hinaus hat Molex die MX150-Mittelspannungssteckverbinder eingeführt. Sie erfüllen die Anforderungen an 48-Volt-Bordnetze und ermöglichen Automobilherstellern die Entwicklung und den Einsatz von Lösungen, die leichter, leistungsstärker, flexibler und effizienter sind.
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