Die Herausforderungen und Lösungen bei der Entwicklung der Automobilelektrifizierung

In verschiedenen industriellen und Verbraucherumgebungen beschleunigt sich die Elektrifizierung von Produkten, Systemen und Prozessen, angetrieben durch fortschrittliche elektronische Technologien, die herkömmliche hydraulische und pneumatische Methoden ersetzen. Unter diesen Transformationen ist der Elektrifizierungsprozess in der Transportindustrie besonders deutlich sichtbar, mit einem rekordverdächtigen Anstieg der Anzahl der Fahrzeuge, die mit modernen Funktionen und reinen elektrischen Antriebssystemen ausgestattet sind. Dieser Artikel wird den aktuellen Stand und die Trends der Entwicklung der Automobil-Elektrifizierung sowie die von Molex angebotenen Lösungen vorstellen.

Der Weg zur Elektrifizierung des Automobilsektors beinhaltet nicht nur den rasanten Aufstieg reiner elektrischer Antriebsstränge, die die langjährigen Verbrennungsmotoren (ICE) ersetzen, sondern auch einen signifikanten Anstieg von elektrischen Komponenten in konventionellen Fahrzeugen. Viele Schlüsselsysteme, die zuvor auf mechanische Strukturen angewiesen waren, nutzen nun elektronische Geräte, um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu verbessern, wie Bremsassistent und elektronisch unterstützte Servolenkungssysteme (EPAS). Derzeit entwickeln sich Lösungen zur Unterstützung von Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) rasch in Richtung des ultimativen Ziels des vollautonomen Fahrens.

In den letzten Jahren hat die Zahl der Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) weltweit stetig zugenommen, und es wird erwartet, dass sie bis 2025 20 % der Neufahrzeugverkäufe ausmachen werden. Trotz vielversprechender Aussichten steht die Elektrifizierung im Automobilbereich noch vor zahlreichen Hürden. Um einen Markt zu erschließen, der auf 236,3 Milliarden USD geschätzt wird (mit einer jährlichen Wachstumsrate von 10,6 %), stehen Automobilhersteller vor vielen Herausforderungen, wie z. B. 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, kann das Design von High-End-Fahrzeugen aus über 100 Electronic Control Units (ECUs) bestehen. Die zunehmende Anzahl von ECUs in Fahrzeugen stellt eine Herausforderung dar, wie diese Systeme verbunden, verpackt und verwaltet werden, um kritische Befehle zu übertragen und spezifische Funktionen des Fahrzeugs zu steuern. Durch die Aufteilung des Fahrzeugs in mehrere Zonen können Funktionen jeder Zone zugewiesen werden, und Informationen können bei Bedarf zwischen den Zonen übertragen werden. Die zonenbasierte Architektur optimiert und reduziert nicht nur die Gesamtmenge an Verkabelung, sondern integriert auch die ECUs.

Darüber hinaus wird mit der Verbreitung von elektronischen Geräten in Automobilen (einschließlich sowohl ICE-Fahrzeugen als auch Elektrofahrzeugen) das Wärmemanagement zu einer kritischen Herausforderung. Wenn sich elektronische Geräte wie Computer oder mobile Geräte überhitzen, schalten sie sich ab, was für Fahrzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit auf der Straße unterwegs sind, katastrophal sein kann.

Die Miniaturisierung und der vermehrte Einsatz elektrischer Geräte erfordern eine höhere Bauteildichte. Bei abnehmenden Oberflächen in miniaturisierten Systemen kann die Ableitung der gleichen oder sogar mehr Wärme in einem kleineren Raum das Risiko einer Überhitzung verursachen, das verwaltet werden muss. Wenn sich elektronische Geräte innerhalb versiegelter Steuergeräte befinden und in Fahrzeugbereichen mit extremen Umgebungen (wie unter der Motorhaube) angebracht sind, kann das Risiko einer Überhitzung zunehmen. Unsachgemäß entworfene Systeme, gepaart mit der hohen Schaltungsdichte und den kleinen Gehäuseanforderungen der Verbindungssysteme der nächsten Generation, können Herausforderungen im thermischen Management darstellen. Thermische Probleme in Steckverbindern können zu Sicherheits- und Zuverlässigkeitsproblemen sowie zu Bedenken hinsichtlich der Lebensdauer führen, die während der Projektentwurfsphase sorgfältig behandelt werden müssen.

Der Fortschritt der Elektrifizierungs- und Energiemanagement-Technologien löst eine wissenschaftliche Renaissance im Energiesektor aus, wobei Batterietechnologie nun eine Vielzahl von Anwendungen unterstützt, von der Stromversorgung von Elektrofahrzeugen bis hin zur Energiespeicherung zur Nutzung bei höchstem Bedarf. Regierungen investieren in die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, Netzmodernisierung, ländliche Konnektivität und Entwicklung in abgelegenen Gebieten.

In dieser Renaissance sind zwei Hauptthemen aufgetaucht, die eng miteinander verbunden sind: Elektrifizierung und Energiemanagement. Bei der Elektrifizierung werden Technologien, die konventionelle Brennstoffquellen nutzen, durch gleichwertige Systeme ersetzt oder ergänzt, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden. Andererseits bezieht sich Energiemanagement auf die Speicherung, Überwachung und Verteilung von Energie.

Erstens wird durch die Smart Grid-Technologie die Modernisierung des Netzes erreicht, indem alternde Infrastrukturen, die um traditionelle Kraftwerke herum aufgebaut wurden, in moderne elektrifizierte Netzwerke oder Smart Grids umgewandelt werden. Diese Netze werden durch erneuerbare Energiequellen ergänzt und umfassen verschiedene Sensoren, um Nutzungsmuster genau zu überwachen und Systemfehler zu erkennen, bevor sie zu ernsteren Problemen werden, was ein kritischer Bedarf ist.

Intelligente Stromnetze verbinden die Vorteile konventioneller Energie mit erneuerbarer Energie. Erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie haben periodische Ausfallzeiten, daher fügen Battery Energy Storage Systems (BESS) dem größeren Netz überschüssige Energie zur späteren Nutzung hinzu. Da auch der Gesamtverbrauch seinen Rhythmus mit periodischen Spitzen- und Nicht-Spitzenverbrauchszeiten hat, können intelligente Stromnetze Energie genau dort, zu welcher Zeit und aus welcher Quelle zuteilen, wo sie am meisten benötigt wird, sei es konventionelle, erneuerbare oder gespeicherte Energie.

Seit den 1950er Jahren ist das 12V-Strommodell der Standard in der Automobilindustrie, was es zum Standard für Fahrzeuggestaltung und Komponenten gemacht hat. Auch wenn sich Funktionalitäten und Elektrifizierung im Laufe der Zeit weiterentwickelt haben, hat dieser Standard es den Autoherstellern ermöglicht, Kosten zu senken und eine einfache elektrische Architektur beizubehalten.

Obwohl der 12-V-Standard seine Vorteile hat, muss er sich weiterentwickeln, da moderne Verbraucher zunehmend höhere Leistung und ein besseres In-Fahrzeug-Erlebnis verlangen. Mit dem Aufkommen softwaredefinierter Fahrzeuge, einem Trend zu mild-hybriden Architekturen und immer strengeren Emissionsvorschriften wird das 48-V-Design zunehmend unverzichtbar, um den Anforderungen der Verbraucher und den gesetzlichen Vorgaben gerecht zu werden.

Der Übergang zum 48V-Standard bringt einige Herausforderungen mit sich, doch elektrische Innovatoren ebnen nun den Weg für effizientere Systeme auf Basis dieses neuen Standards. Der Wechsel zu einem robusteren Leistungsstandard kann nicht über Nacht erfolgen, aber mehrere wichtige elektrische und verbraucherseitige Faktoren werden die Einführung von 48V als Standard für Mild-Hybrid- und reine Elektrofahrzeuge durch Automobilhersteller beeinflussen. Zu diesen Schlüsselfaktoren zählen gesetzliche Vorgaben zur Emissionsreduzierung durch Regierungen weltweit und das steigende Bewusstsein der Verbraucher für ihren CO₂-Fußabdruck, was zu starken Vorlieben für Hybrid-, Plug-in-Hybrid- (PHEV) und Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite führt.

Darüber hinaus verwenden elektrische Turboladersysteme einen Motor, um die Turbine zu drehen und den Luftstrom in den Motor zu verbessern, wodurch die Motorleistung gesteigert wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Turboladersystemen, die von 12V- oder 24V-Systemen betrieben werden, erfordern diese elektrischen Turboladersysteme eine erheblich größere elektrische Leistung. Mit der zunehmenden Standardisierung effizienterer und leistungsstärkerer elektrischer Turboladersysteme wird die 48V-Stromversorgung entscheidend werden.

Die technischen Vorteile des 48V-Standards umfassen die Reduzierung der Paketgröße, die Einsparung von Produktionskosten, die Bereitstellung besserer Funktionalität, die Verringerung von Emissionen und die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz. Für Verbraucher kann der 48V-Standard die Fahrzeugleistung verbessern, die Fahrzeugkosten senken und das Handling verbessern, was die Entwicklung des 48V-Standards zunehmend wichtig macht.

Jedoch ist das 12V-Design tief in der Automobilproduktion verankert, sodass der Übergang zum 48V-Standard länger dauern wird als erwartet. Die Geschwindigkeit des Übergangs hängt teilweise von den erforderlichen Änderungen im Komponentendesign ab, um die technischen Anforderungen des 48V-Systems zu erfüllen, einschließlich der Überlegungen zu den Produktionsmethoden des Systems selbst und der Kompatibilität mit der bestehenden Infrastruktur.

Die MX150 Mid-Voltage Steckverbinder, eingeführt von Molex, zielen darauf ab, die wachsende Nachfrage nach 48-Volt-Elektrosystemen in der Automobilindustrie zu decken. Die Einführung von Mid-Voltage-Lösungen ermöglicht es Kunden, ihre automobilen Elektrosysteme mit Mid-Voltage-Produkten sicher aufzurüsten. Diese Steckverbinder basieren auf dem validierten MX150-Design und bieten zuverlässige und praxiserprobte Lösungen, um den Mid-Voltage Konnektivitätsanforderungen der Transportindustrie gerecht zu werden.

Das MX150 Sealed Connector System hat sich in der Praxis als äußerst zuverlässig erwiesen, da es unter extremen Temperaturen, unterschiedlichen Vibrationsstufen sowie bei Kontakt mit Feuchtigkeit und Chemikalien eine hohe Leistung erbringt, was es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet macht. Das MX150 Sealed Connector System bietet Connector Position Assurance (CPA) Optionen, die helfen, unbeabsichtigtes Trennen der Steckverbinder zu verhindern, und stellt vorkonfektionierte Terminal Position Assurance (TPA) Gehäuse bereit, um sicherzustellen, dass gecrimpte Kabelenden korrekt im Stecker verriegelt sind. Zudem verfügt es über eine Spannzangenkappe, um die Matdichtung zu schützen und eine korrekte Ausrichtung der Kontakte zu gewährleisten. Das MX150 entspricht der IEC 60664-1 Norm und ist zertifiziert, um die strengen Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen, einschließlich der USCAR-2, USCAR-21 und GMW3191 Zertifizierungen.

Der MX150 bietet einreihige und zweireihige V0-Versionen, um strenge Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, und unterstützt den Einsatz der Mat-Dichtungstechnologie für MX150 (1,50mm) Kontakte, die hilft, den Bedarf an separaten Kabeldichtungen zu eliminieren, wodurch die Verpackungsgröße reduziert wird. Sein integriertes Gehäuse mit 3,50mm Rastermaß bietet einen kompakten Steckverbinder, der hilft, Montagekosten zu eliminieren. Mit einer 60V Mittelspannungskapazität kann er auf 48V Verkabelung aufgerüstet werden, was die Umstellung auf leichtere 48V Verkabelung mit den bewährten MX150 Formfaktor-Spezifikationen vereinfacht.

Der MX150 kann in Verbindung mit aufgerüsteter 48V-Verkabelung für Anwendungen wie Beleuchtung, elektrische Fensterhebermotoren oder Scheibenwischermotor-Upgrades verwendet werden, wodurch die bestehende 12V-Autoverkabelung auf 48V aufgerüstet werden kann, ohne die Steckverbindertypen zu ändern. Durch die Verwendung der gleichen Gehäusegröße und des gleichen Gehäusedesigns wie beim bewährten MX150-Steckverbinder sind direkte Upgrades von bestehenden MX150-Steckverbindern möglich, wodurch die Entwicklungskosten bei der Umstellung auf 48V-Verkabelung gesenkt werden.

Der MX150 ist der einzige Automobilstecker auf dem Markt, der multifunktionale Niederspannungsoptionen mit einem robusten, abgedichteten Steckverbinderdesign für eine Reihe von Mittelspannungsanwendungen kombiniert und sowohl 48V- als auch bis zu 60V-Anwendungen unterstützt. Beim Übergang von 12V-Verkabelung zu 48V-Verkabelung ermöglicht der MX150 Mittelspannungsstecker den Herstellern, die bewährte und robuste MX150-Bauform zu nutzen, um die Entwicklungs- und Designkosten zu senken. Dies ermöglicht den Übergang zu einer höher spannenden 48V-Verkabelungsarchitektur, reduziert den Kupferverbrauch und das Gewicht durch die Verwendung kleinerer Kabelgrößen, während die zusätzliche Ingenieurzeit und die damit verbundenen Kosten minimiert werden.

Die Automobilindustrie durchläuft transformative Veränderungen, die durch die Elektrifizierung vorangetrieben werden, nicht nur durch die rasche Entwicklung von Elektrofahrzeugen, sondern auch durch die zunehmende Integration einer Vielzahl von elektronischen Systemen in traditionelle Fahrzeuge zur Verbesserung der Funktionalität und Sicherheit. Diese Veränderungen stellen erhebliche Herausforderungen und Chancen für die Automobilindustrie dar. Molex bietet eine Vielzahl von Lösungen an, um Kunden beim Übergang von bestehenden traditionellen Methoden zu unterstützen, sämtliche Zwischenstufen abzudecken und letztlich eine breite Palette von branchenführenden flexiblen Produkten bereitzustellen. Diese Lösungen adressieren Herausforderungen wie die Aufteilung von Architekturen, das Wärmemanagement, die Geräuschreduzierung und andere. Darüber hinaus hat Molex die MX150 Mittelspannungs-Steckverbinder eingeführt, um den Anforderungen von 48-Volt-Elektrosystemen gerecht zu werden, sodass Automobilhersteller Lösungen entwerfen und einsetzen können, die leichter, leistungsstärker, flexibler und effizienter sind.