Mit der steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und verbesserten Lademöglichkeiten für Elektrofahrzeuge stehen Ingenieure vor der Herausforderung, immer mehr Ladestationen einzurichten. Dieser Artikel befasst sich mit den wichtigsten Herausforderungen wie schnelleres Laden, Verbesserung von Batterien und Wärmemanagement und erörtert die Rolle moderner Verbindungslösungen und technologischer Fortschritte bei der Unterstützung des Übergangs zu einem effizienteren und zuverlässigeren Laden von Elektrofahrzeugen.
Video Chapter
- 2:04 Schnelleres Aufladen
- 2:43 Verbesserte Batterieleistung
- 3:11 Miniaturisierung im Automobilbereich
- 4:01 Raue Umgebungen
- 4:20 Steckverbinder-Anforderungen
Die weltweit zunehmende Fokussierung auf transformative Energien konvergiert mit den Erwartungen der Verbraucher in Bezug auf Sicherheit, Komfort, Zweckmäßigkeit und Funktionalität und treibt die Revolution in der Automobilarchitektur und die Verlagerung hin zu Elektrofahrzeugen voran. Da erwartet wird, dass Elektrofahrzeuge auf unseren Straßen immer häufiger werden, wird auch der Ruf nach einem Ausbau des Ladenetzes für gewerbliche und private Elektrofahrzeuge lauter, um das Aufladen der Batterien zu beschleunigen.
Infolgedessen beschäftigen sich Ingenieure auf der ganzen Welt mit der komplexen Dynamik des Designs und überlegen, wie sie mehr Ladestationen für Elektroautos entlang von Straßen, Autobahnen, in Wohnhäusern und an Arbeitsplätzen errichten können. Da der Markt für Elektrofahrzeuge noch immer im Entstehen begriffen ist, kann der Ruf einer Marke von diesen wichtigen Entscheidungen abhängen. In diesem Umfeld der verstärkten Sensibilisierung muss eine erweiterte Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge wichtige Faktoren wie Sicherheit, Benutzerfreundlichkeit, Zuverlässigkeit, Wärmemanagement und sich entwickelnde gesetzliche Normen berücksichtigen. Lesen Sie weiter, um aktuelle Einblicke in die Herausforderungen und Chancen im Zusammenhang mit dem Laden von Elektrofahrzeugen zu erhalten.
Die wichtigsten Designherausforderungen
In Regionen auf der ganzen Welt werden Elektrofahrzeuge erforscht, die Entwicklung schreitet voran und der Markt wird voraussichtlich an Fahrt gewinnen. In der Tat werden laut der UBS Investment Bank bis 2025 20 % und bis 2030 50 % der weltweiten Neuwagenverkäufe auf Elektrofahrzeuge entfallen. Auch JP Morgan geht davon aus, dass Hybridfahrzeuge mit Benzin-Elektroantrieb bis 2025 fast ein Viertel des weltweiten Automobilabsatzes ausmachen werden. Dennoch gibt es einige wichtige Herausforderungen, die noch zu bewältigen sind, damit die Innovationen im Bereich des Aufladens von Elektrofahrzeugen Schritt halten können. Dazu zählen:
Laut einer Umfrage von S&P Global Mobility aus dem Jahr 2023 geben 40 % der Besitzer von Elektrofahrzeugen an, dass sie bereit wären, für ein schnelleres Laden mehr zu bezahlen. Immer wieder wird als Kritikpunkt angeführt, dass das Aufladen der Batterien von Elektroautos länger dauert als das Betanken von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Bei kaltem Wetter ist die Ladegeschwindigkeit von Elektrofahrzeugen sogar noch langsamer, da sich Elektronen bei Kälte nicht so schnell bewegen.
Die Ladezeit variiert auch je nach Ladetyp, wobei das Level-1-Aufladen 40–50 Stunden und das Level-2-Aufladen 4–10 Stunden dauert. Diese Kategorien spiegeln die Tatsache wider, dass die Hersteller die Leistung der Ladegeräte durch Anhebung der Spannung erhöht haben, um den Bedenken der Verbraucher Rechnung zu tragen. Leider ist das Aufladen mit höherer Leistung nicht unbedingt ein Allheilmittel: Es kann zu Schäden an der Batterie führen und die Performance beeinträchtigen. Da sich mit zunehmendem Alter der Batterien auch die Ladezeit verlängert, ist eine höhere Leistung nicht immer gleichbedeutend mit einem schnelleren Aufladen.
Neben der Fokussierung auf die Effizienz des Ladevorgangs könnte auch den Batterien der Elektrofahrzeuge selbst mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Beispielsweise lädt eine neuere Lademethode, die als Level 3 oder DC-Schnellladung bekannt ist, die Batterien von Elektrofahrzeugen unter Umgehung des bordeigenen Geräts, das netzgespeisten Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt, direkt wieder auf. Das Aufladen mit dieser Methode dauert oft nur eine Stunde oder weniger. Leider sind einige Fahrzeuge nicht für das DC-Schnellladen geeignet, da die Batteriekonfigurationen der verschiedenen Fahrzeugmarken und -modelle sehr unterschiedlich sind. Obwohl dieses Problem durch weitere Verbesserungen gelöst werden könnte, handelt es sich bei Batterien um komplexe elektromechanische Geräte. Forschung und Entwicklung können daher sehr kostspielig sein.
Genau hier können fortschrittlichere Verbindungskonzepte ansetzen und große Fortschritte ermöglichen. So verwendet beispielsweise das Volfinity-Zellenkontaktierungssystem von Molex eine flexible Leiterplatte (flexible printed circuit, FPC), die die Batteriezellen mit der Steuerplatine des Batteriemoduls eines Elektrofahrzeugs verbindet. Diese leichte Innovation macht schwere und manuell verdrahtete Verkettungen überflüssig und ist gleichzeitig widerstandsfähiger gegen die Beschädigung einzelner Kabel. Somit können Batterien schneller und kostengünstiger produziert werden, und die Hersteller haben mehr Möglichkeiten, mit neuen Designs zu experimentieren.
Heutige Elektrofahrzeuge verfügen über mehr als 100 Motorsteuergeräte (engine control units, ECUs) und exponentiell mehr Elektronik als herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Dies führt zu Platzproblemen, die die Luftzirkulation einschränken und die Innentemperaturen erheblich ansteigen lassen – ein besonderes Problem in abgedichteten Fahrzeugbaugruppen, die regelmäßig extrem harschen Bedingungen ausgesetzt sind. Überhitzte elektrische Systeme stellen ein Sicherheitsproblem dar und können sich sogar abrupt abschalten. Beides keine optimalen Szenarien für Fahrzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit auf einer Autobahn unterwegs sind.
Da ein Nebenprodukt des schnelleren Ladens Wärme ist, beeinflussen dieselben thermischen Dynamiken die Lademöglichkeiten für Elektrofahrzeuge. Eine schlechte Qualität beim Laden von Elektrofahrzeugen kann zu einer kürzeren Batterielebensdauer, einer geringeren Reichweite und einem gefährlichen thermischen Durchgehen führen – eine unkontrollierte Energieeskalation, die Brände oder katastrophale Ausfälle verursachen kann.
Kurz gesagt: Die Bauteile von Elektrofahrzeugen müssen kompakt und sorgfältig konstruiert sein, damit sie zuverlässig funktionieren und die Hitzeentwicklung auf engem Raum eingedämmt wird. Hier verändern High-Fidelity-Simulationsmodelle die Spielregeln. Beispielsweise verwendet Molex eine Simulationstechnologie, die auf künstlicher Intelligenz (KI) basiert, um die Wärmemanagementfähigkeiten eines Steckverbinders zu beurteilen, bevor ein Fahrzeugmodell in Serie produziert wird. Diese proaktiven Erkenntnisse tragen dazu bei, technische Änderungen zu beschleunigen und zu optimieren, was wiederum zu effektiveren Kundenlösungen führt.
Wie sich Ladesysteme verändern
Da der Ruf nach besserer Zugänglichkeit und Effizienz beim Laden von Elektrofahrzeugen immer dringender wird, sorgen auch zusätzliche technologische und infrastrukturelle Fortschritte für eine umfassende Unterstützung. Nachfolgend sind einige Beispiele zusammengefasst.
Stromversorgung mit 48 V
Während das 12-Volt-Modell bereits seit den 1950er Jahren Standard für die Stromversorgung in der Automobilindustrie ist, führen die sich ändernden Emissionsgesetze in Verbindung mit der oben beschriebenen Dynamik zu einer Verlagerung hin zum 48-Volt-Design. Tatsächlich sind in den so genannten Mild-Hybrid-Fahrzeugen bereits 48-Volt-Systeme verbaut, um Funktionen wie das regenerative Bremsen zu unterstützen. Im Gegensatz zu Vollhybridfahrzeugen müssen Mild-Hybrid-Fahrzeuge nicht aufgeladen werden. Sie verfügen sowohl über einen Benzinmotor als auch über eine kleine Elektrobatterie und können die zurückgewonnene Bremsenergie zur späteren Verwendung speichern.
Die 48-V-Stromversorgung ermöglicht die Herstellung kleinerer Komponenten für alle Arten von Elektrofahrzeugen. Auf diese Weise können die Automobilkonstrukteure mehr Funktionen auf engstem Raum unterbringen. Dadurch können Fahrzeuge mit verbesserten drahtlosen Lade-, Infotainment- und einem erweiterten Fahrerassistenzsystem (advanced driver assistance system, ADAS) ausgestattet werden. Da für kleinere Bauteile weniger Materialien benötigt werden, lassen sich die Produktionskosten und der Gesamtenergieverbrauch ebenfalls senken.
Effizientere 48-Volt-Systeme tragen auch dazu bei, den Schadstoffausstoß zu verringern, und sorgen gleichzeitig für leichtere Fahrzeuge mit geringerem Luftwiderstand, sodass diese Fahrzeuge besser zu handhaben sind und mit einer einzigen Tankfüllung oder Ladung eine längere Strecke zurücklegen können. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass 48-Volt-Systeme mit einer höheren Spannung betrieben werden können, was zu einer besseren Energieverteilung und einer geringeren Batteriebelastung führt. In Bezug auf das Laden von Elektrofahrzeugen kann dies Folgendes bedeuten:
- Verbesserte Energieübertragung zwischen Batterie und Ladestation
- Verkürzte Ladezeit bei verbesserter Batterielebensdauer
- Bessere Unterstützung für Ladesysteme mit höherer Leistung wie DC-Schnellladung
Um die Vorteile von 48-Volt-Systemen auch auf Vollhybrid- und Elektrofahrzeuge übertragen zu können, sind allerdings Energiemanagementsysteme erforderlich, die höhere Spannungsniveaus bewältigen können, um die Ladeeffizienz zu optimieren – zusammen mit Steckverbindern, die architektonische Upgrades erleichtern.
Innovationen im Bereich der Verbindungen
Deshalb bieten Innovationen wie die Mittelspannungssteckverbinder der Serie MX150 von Molex wichtige Vorteile. Diese ein- und zweireihigen Lösungen basieren auf dem praxiserprobten MX150-Design von Molex und unterstützen Upgrades auf eine 48-Volt-Verdrahtungsarchitektur bei gleichzeitiger Minimierung des zusätzlichen Entwicklungsaufwands.
Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie modernste Steckverbindertechnik den Weg für eine effizientere Zukunft der Elektromobilität ebnen kann. Da die heutigen Verbindungslösungen im Automobilbereich Fahrzeuge und Ladegeräte mit Strom versorgen, müssen sie gleich vierfache Anforderungen erfüllen: Um eine sichere und zuverlässige Leistung zu gewährleisten, müssen sie effiziente Upgrades unterstützen, Platzmangel ausgleichen, die Wärmeentwicklung dämpfen und rauen Bedingungen standhalten.
Elektrofahrzeuge selbst benötigen versiegelte, miniaturisierte und robuste Verbindungen mit höheren Rastermaßen und mehr integrierten Funktionen. Fortschrittliche Ladegeräte für Elektrofahrzeuge erfordern eine Reihe zuverlässiger und sorgfältig integrierter Wire-to-Board-Steckverbinder, Board-to-Board-Steckverbinder, Klemmenblöcke, Sperrleisten, Speicherkartensteckverbinder und vieles mehr – die bei niedrigem Batteriestand alle reibungslos und vorhersehbar funktionieren müssen. Beim Anschließen durch den Fahrer ist es ebenso wichtig, eine Gefährdung des Fahrzeugs, seiner Insassen oder der umliegenden Strukturen zu vermeiden.
Diese hohen Anforderungen erfordern ein bewährtes technisches Fachwissen in Verbindung mit einer guten Marktkenntnis, multidisziplinären Perspektiven und integrierten Fertigungsmöglichkeiten. So arbeitet Molex beispielsweise regelmäßig mit führenden Automobilherstellern und vertrauenswürdigen Branchenzulieferern zusammen, um Kundenangebote auf sichere, konforme und wirtschaftlich tragfähige Weise zu diversifizieren. Molex nutzt außerdem die Technologie des digitalen Zwillings, um die Leistung seines Produktportfolios an Steckverbindern proaktiv zu optimieren. Gestützt auf historische Daten, Algorithmen des maschinellen Lernens (ML) und die jüngsten Fortschritte in der künstlichen Intelligenz (KI) bietet die Technologie des digitalen Zwillings sowohl Konstrukteuren als auch Anlagenbetreibern frühe Einblicke aus der Praxis, die zur Leistungssteigerung beitragen.
PowerPlane Sammelschienen-Steckverbinder
Diese innovativen, anpassungsfähigen Stromanschlüsse bieten eine gute Hochstromleistung sowie mehrere Konfigurationen und Funktionsoptionen. Ihre präzisionsgefertigte Zuverlässigkeit macht sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen in der Energieverteilung.
EXTreme Power Produkte
Mit einer optimalen Leistungsdichte und außergewöhnlichen Wärmemanagement-Fähigkeiten wurden diese Lösungen speziell zur Unterstützung von Hochstromanwendungen entwickelt und sind in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich, sodass sich unsere Kunden problemlos weiterentwickeln können.
Micro-Fit-Steckverbinder
Die Micro-Fit-Steckverbinderfamilie hält Betriebstemperaturen von bis zu 125 °C stand. Wählen Sie aus verschiedenen Schaltkreisgrößen und Kabellängen, die Board-to-Board-, Wire-to-Board- und Wire-to-Wire-Konfigurationen unterstützen.
MX150-Mittelspannungssteckverbinder
Die Mittelspannungssteckverbinder der MX150-Serie verfügen über den bewährten MX150-Formfaktor, der 48-Volt-Upgrades mit minimalem Entwicklungsaufwand ermöglicht. Dies erlaubt architektonische Verbesserungen mit erheblichen Kosten- und Gewichtseinsparungen.
Sentrality-Pin und -Buchse
Das Pin-und-Buchsen-Verbindungssystem von Sentrality wurde mit einer kompakten, konischen Buchsenbaugruppe entwickelt, die kürzere Stapelhöhen als die meisten marktüblichen hyperbolischen Buchsen unterstützt. Es ermöglicht Board-to-Board-, Busbar-to-Board- und Busbar-to-Busbar-Steckverbinder mit hohen Spannungen und hohen Strömen. Es bietet außerdem eine branchenführende radiale Selbstausrichtung von +/- 1,00 mm, um Probleme mit der Toleranzhäufigkeit zu überwinden.
Compactus
Bei diesen versiegelten Hybridsteckverbindern handelt es sich um robuste, hochdichte Innovationen für die Automobilindustrie, die es Herstellern ermöglichen, auf engstem Raum mehr Kapazitäten für die Strom- und Signalübertragung unterzubringen.
Da das breite Bewusstsein für transformative Energieoptionen mit der steigenden Nachfrage der Verbraucher nach verbesserter Fahrzeugsicherheit, Komfort, Bequemlichkeit und Infotainment einhergeht, rücken Elektrofahrzeuge und verbesserte Lademöglichkeiten für Elektrofahrzeuge immer mehr in den Fokus. In dieser facettenreichen Branchenlandschaft arbeitet Molex mit Arrow Electronics zusammen, um fortschrittliche Verbindungslösungen für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich Elektrofahrzeuge anzubieten. Die Innovationen von Molex, darunter Wire-to-Wire-, Board-to-Board- und Wire-to-Board-Steckverbinder sowie Kabelbaugruppen und Sensoren, sind das Ergebnis jahrzehntelanger Erfahrung in der Automobilbranche und liefern Spitzenleistungen, die den sich ständig weiterentwickelnden Kundeninnovationen immer einen Schritt voraus sind.
