Elektrifizierung der Automobilindustrie

Die Entwicklung der Automobilindustrie durch die Elektrifizierung - das Ersetzen traditioneller mechanisch angetriebener Systeme durch elektrische Komponenten und Systeme - verändert das Design heutiger Fahrzeuge, die von Verbrennungsmotoren über leichte Hybride bis hin zu vollelektrischen Architekturen reichen, grundlegend.

Die Elektrifizierung der Züge wurde im Laufe der Jahre immer weiter vorangetrieben. (Bildquelle: Getty Images)

So wie sich die Systeme von Vergasern und einfachen Auspuffanlagen zu Präzisionseinspritzdüsen, Abgasreinigungssystemen sowie Antriebs- und Bremskontrollsystemen weiterentwickelt haben, wurden auch bei der Elektrifizierung ähnliche Fortschritte mit neuen Architekturen, Komponenten für Elektromotoren, Batteriepaketen und fortschrittlicher Leistungselektronik erzielt. Zusammengenommen zwingen diese Fortschritte dazu, die Art und Weise, wie Fahrzeuge konstruiert und gefahren werden, neu zu überdenken, um maximale Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu erreichen.

Experten von zwei branchenführenden Elektronikunternehmen - Matt McWhinney und Kirk Ulery, Business Development Manager bei Molex und Shawn Luke, Technical Marketing Manager bei DigiKey - beleuchteten den aktuellen Stand der Elektrifizierungsbewegung und die wichtigsten Überlegungen für die Zukunft der Automobilindustrie.

Landschaft der Fahrzeugmodelle

Während die vielbeachtete Nachfrage nach Elektro- und Hybridfahrzeugen weiter steigt, hat sich der Absatz von neuen Elektrofahrzeugen in den letzten Monaten aufgrund vieler Faktoren, einschließlich des Marktes und der öffentlichen Politik, verlangsamt. Branchenexperten nennen die Kosten und die begrenzte Ladeinfrastruktur in den USA als zwei Hauptgründe.

„Die Elektrifizierung in Nordamerika wurde mal mehr, mal weniger stark vorangetrieben“, sagte Ulery. „Wenn man mehr als 100 Kilometer am Stück fährt, weiß man, dass die Ladeinfrastruktur in Angriff genommen werden muss.“

Die Verkäufe von Hybridfahrzeugen hingegen überholen die von Elektrofahrzeugen. Den Daten von Edmunds zufolge sahen die Hybridkäufe im Jahr 2023 den stärksten Anstieg, von mehr als 750.000 Verkäufen im Jahr 2022 auf über 1 Million Verkäufe im Jahr 2023.

Eine weitere aufstrebende Kategorie ist der Teilhybrid, der einen batteriebetriebenen Elektromotor als Ergänzung zum Benzin- oder Dieselantrieb verwendet. Die meisten Teilhybride werden mit einem 48V-Bordnetz betrieben, das eine höhere Spannung aufweist als das Bordnetz eines herkömmlichen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Das 48V-System versorgt Komponenten, die nicht auf den Motor angewiesen sind, mit Strom und ermöglicht so eine höhere Betriebseffizienz.

Trotz des rasanten Innovationstempos im Automobilbau beherrschen gasbetriebene Fahrzeuge nach wie vor die Straßen. Nach einer Untersuchung von Edmunds sind 82% der heute in den USA verkauften Neufahrzeuge auf Benzin angewiesen. Die Elektrifizierung von herkömmlichen Fahrzeugen bis hin zu den modernsten Hightech-Elektromodellen ist jedoch in vollem Gange.

Elektrifizierung unter der Motorhaube

Ulery bemerkt: „Eine Konstante, die wir sehen, ist die zunehmende Elektrifizierung - mechanische Systeme werden aus vielen Gründen in allen Fahrzeugen elektrifiziert, insbesondere um die Effizienz zu steigern.“

Ein Beispiel dafür ist die Stopp-Start-Technologie, die den Motor beim Anhalten eines Fahrzeugs ausschaltet und automatisch wieder anspringt, wenn der Fahrer die Bremse löst oder das Gaspedal betätigt. Diese Funktion kann zwar einige Komponenten zusätzlich beanspruchen, zielt aber darauf ab, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und die Treibhausgasemissionen zu verringern.

Weitere Beispiele für die Elektrifizierung unter der Motorhaube sind Kühlerlüfter, Servolenkung, HLK-Systeme und Kühlpumpen. Alle diese Systeme wurden früher über Riemen von einem Verbrennungsmotor (ICE) angetrieben. Elektrische Wasserpumpen ersetzen mechanische Kühlerpumpen, um eine effizientere Leistung zu erzielen, und die präzise Steuerung mit elektrischer Kühlung kann die Lebensdauer dieser Teile verlängern. Bei einem erweiterten Batteriemanagement zirkulieren sie auch Kühlflüssigkeit im Fahrzeug, um die Temperatur des Batteriepacks, der Elektromotoren und der Leistungselektronik zu regulieren.

Durch die Umstellung auf elektrisch betriebene Module, wie z. B. die Servolenkungspumpen, ist das System nicht mehr vom Motor abhängig, wodurch parasitäre Lasten reduziert werden und mehr Pferdestärken zur Verfügung stehen. Daher können die Automobilhersteller in einigen Fahrzeugen kleinere Motoren einbauen und die gleichen Fahrleistungen beibehalten, während sie gleichzeitig Effizienzvorteile erzielen und weniger Emissionen ausstoßen.

„Die Elektrifizierung hat die Tür zu innovativen neuen Fahrzeugdesigns geöffnet“, so Luke. „Ohne die Notwendigkeit, einen herkömmlichen Verbrennungsmotor unterzubringen, haben die Automobilhersteller mehr Flexibilität bei der Verteilung von Batterien und Ladeanschlüssen, die Möglichkeit, den Raum für Passagiere oder Fracht zu vergrößern und vieles mehr.“

Insgesamt ersetzt die Elektrifizierungsbewegung die traditionellen mechanischen durch elektrisch gesteuerte Präzisionssysteme, die effizienter sein können. In Kombination mit Fortschritten bei der Softwaresteuerung sind moderne Fahrzeuge sauberer und energieeffizienter und bieten sowohl für Personen- als auch für Nutzfahrzeugfahrer Leistung und Nachhaltigkeit.

Weiterentwicklung der Fahrzeugbatterie

In den letzten zehn Jahren sind die Fahrzeughersteller von 12V-Batterien auf höhere Spannungen wie 24V-Batterien (insbesondere für Nutzfahrzeuge) und jetzt auf 48V-Batterien umgestiegen, um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, das Fahrzeuggewicht zu verringern, die Beschleunigung zu verbessern und Kraftstoffeinsparungen zu erzielen.

Das Aufladen von Elektrofahrzeugen mit 48 V erfordert eine sicherere und zuverlässigere Stromversorgung der Ladestationen. (Bildquelle: Getty Images)

Die Gesetzgebung in Europa hat den Grundstein für die Emissionsreduzierung bei neu gebauten Fahrzeugen gelegt. Eine Kombination aus regulatorischen und Marktkräften ist der Grund für die zunehmende Verlagerung zu Teilhybrid-Architekturen mit integriertem Starter-Generator. 48 V ist nicht nur bei Teilhybriden auf dem Vormarsch, sondern wird wahrscheinlich auch in weiteren Verbrenner-Plattformen zum Einsatz kommen.

Die Umstellung auf eine 48V-Architektur beinhaltet mehr als nur die Erhöhung der Systemspannung. Sie erfordert auch eine Änderung der elektrischen Grundlage. Funktionsreiche, leistungsstärkere Fahrzeuge sind auf leichtere und kleinere Komponenten angewiesen, die die gleiche elektrische Effizienz wie Modelle mit höherer Dichte bieten.

Ulery erklärt: „Beiden Systemen ist gemeinsam, dass sowohl 12V- als auch 48V-Systeme traditionelle mechanische Funktionen von einem Zahnriemen auf eine Reihe von Elektromotoren verlagern.“ Als Beispiel nannte er einen schweren Pickup, der mechanische Energie für seine Servolenkung verwendet. In vielen Fahrzeugen wird diese Funktion zunehmend elektrifiziert. „Die Energie, die für die Servolenkung benötigt wird, geht zu Lasten der Motorleistung. Durch die Verlagerung der Servolenkung auf ein separates elektrisches System kann der Fahrer mehr Leistung über den Antriebsstrang erhalten.“

Die Umstellung der Automobilindustrie auf Systeme mit höherer Spannung erfolgt schrittweise, da sie erhebliche Auswirkungen auf den Konstruktions- und Fertigungsprozess hat. Die Umstellung erfolgt bei jedem Hersteller nach einem anderen Zeitplan, der von den Produkten, der technischen Reife und den Anforderungen der Kunden abhängt, die sie bedienen. Darüber hinaus sind alle an Standards und Entwurfspraktiken gebunden, die sich auf die von ihnen verwendeten Technologien beziehen, z. B:

• ISO 21780 umfasst Anforderungen und Prüfungen für elektrische und elektronische Bauteile in Straßenfahrzeugen mit einem elektrischen System, das mit einer Nennspannung von 48 V arbeitet.
• Die VDA-Empfehlung 320 wird vom ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. herausgegeben und gepflegt. Sie umfasst eine breite Palette von Spezifikationen und Prüfanforderungen für elektrische und elektronische Komponenten in Kraftfahrzeugen, um die 48V-Stromversorgung zu entwickeln.

Die Einhaltung der Norm für ein intelligentes Batteriemanagement ist ein wesentlicher Faktor für den Erfolg der 48V-Architektur. Mit dem richtigen Designprozess können Automobilhersteller ineffiziente Energiespeicherung, erhöhte Kosten und potenzielle Sicherheitsrisiken für die Fahrer vermeiden.

Verbindungsgrundsätze zur Priorisierung der Sicherheit

Da Fahrzeuge mehr Leistung als je zuvor benötigen, um immer anspruchsvollere elektrische Funktionen zu unterstützen, hängt ein zuverlässiges Steckverbinderdesign für 48V-Systeme von mehreren grundlegenden Faktoren ab, um die Leistungs- und Sicherheitsstandards von Fahrzeugen zu erfüllen.

McWhinney sagt: „Die Elektronik und die Infrastruktur - die Verbindungen zur Unterstützung des Fahrzeugs - sind für die Sicherheit unerlässlich.“

Da 48V-Systeme mit einer höheren Spannung (als 12 V) arbeiten, müssen Steckverbinder und elektrische Systeme aus robusten Materialien und mit geeigneter Isolierung gebaut werden, um eine sichere und zuverlässige Leistung zu gewährleisten. Dies wird noch wichtiger, wenn die Spannung höher als 48 V ist.

Fehler in den Steckverbindungen können zu Fehlfunktionen des Fahrzeugsystems oder zu Sicherheitsrisiken führen. Um eine Trennung zu vermeiden, sollten Steckverbinder über Verriegelungsmechanismen und Zugentlastungen verfügen und regelmäßig überprüft und gewartet werden.

„Sicherheit und Überwachung des elektrischen Systems sind heute wichtiger denn je“, sagt McWhinney.

Die Aufrechterhaltung der Signalqualität ist für Anwendungen mit höheren Spannungen extrem wichtig. Eine schlechte Signalintegrität kann zu Fehlfunktionen führen, daher müssen Steckverbinder Signalverluste und Störungen durch abgeschirmte Kabel sowie eine ordnungsgemäße Erdung und strategische Platzierung minimieren. Diese Überlegungen zu berücksichtigen, erfordert Innovation und Fachwissen, und hier kommen fortschrittliche Verbindungslösungen ins Spiel.

„Es erscheint so selbstverständlich, aber die Bedeutung der Vernetzung im Automobilbau wird unterschätzt, insbesondere im Hinblick auf die Sicherheit“, fügte Luke hinzu.

Mit dem Wandel Schritt halten und die Zertifizierung von Teilen sicherstellen

Die Erfüllung der Sicherheitsanforderungen hat oberste Priorität, aber McWhinney weist darauf hin, dass eine zusätzliche Herausforderung in den sich ständig ändernden Anforderungen an die Fahrzeugelektrik besteht, die die Hersteller zwingt, Schritt zu halten und Steckverbinder und andere Komponenten ständig zu überarbeiten.

Die Hersteller können sich jederzeit auf den US Council for Automotive Research (USCAR) beziehen, um die Leistungsanforderungen zu verfolgen und die zugelassenen Komponenten für den sicheren Einsatz in der Automobilindustrie sorgfältig zu prüfen und zu zertifizieren.

Komponenten, die die USCAR/LV214 oder ähnliche Qualifikationen erfüllen, sind in der Regel hochwertige, robuste und zuverlässige Teile, die auf der Straße einiges aushalten, ohne an Performance einzubüßen. Die Steckverbinderserie MX150 von Molex umfasst beispielsweise Komponenten, die speziell für Fahrzeuge entwickelt wurden, die rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind und extreme Temperaturen, Vibrationen und Feuchtigkeit standhalten müssen.

Die Abbildung zeigt einen Molex-Steckverbinder in einem Cybertruck. (Bildquelle: Molex)

Luke merkt an: „Mit mehr Innovationsmöglichkeiten im Fahrzeugdesign setzen immer mehr Fahrzeughersteller auf die Elektrifizierung. Aufgrund des hyperschnellen Innovationszyklus gibt es nur wenige Standardplattformen in diesem Bereich. Diese größere Vielfalt bietet den Verbrauchern jedoch mehr Stil- und Anpassungsmöglichkeiten, und die Kosten für die Fahrzeuge werden mit dem technologischen Fortschritt und dem Produktionsanstieg wahrscheinlich sinken.“

Berücksichtigung von Nutzfahrzeugen

Über Personenkraftwagen ist schon viel gesagt worden, aber alles, was in diesem Artikel besprochen wird, ist im Bereich der Nutzfahrzeuge schon viel länger im Gange. Nutzfahrzeuge sind schnell von 12- auf 24V-Systeme umgestiegen, um Diesel und einige elektrische Systeme anzutreiben, wodurch sie in der Vergangenheit kleinere Anlasser haben konnten. Es gibt auch eine lange Tradition von elektrischen Klimaanlagen in Nutzfahrzeugen, insbesondere in Bussen, Bau- und Landwirtschaftsfahrzeugen und Schwerlastkraftwagen, um nur einige zu nennen.

Nutzfahrzeuge sind in der Regel so konzipiert, dass sie ihrem Besitzer/Betreiber helfen, Geld zu verdienen, und müssen daher zuverlässig funktionieren. Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit eines Lebenszyklus sind in der Regel höher als bei Personenkraftwagen, so dass zusätzliche Dichtigkeit und Robustheit erforderlich sind.

Unabhängig davon, ob es sich um die Entwicklung von Personen- oder Nutzfahrzeugen handelt, müssen Ingenieure heute zahlreiche komplexe, energieintensive Systeme und Funktionen berücksichtigen, die nicht nur die Anforderungen von Verbrauchern und Unternehmen erfüllen, sondern auch hocheffizient, langlebig und sicher sind. Glücklicherweise stellen sich die Technologieanbieter der Herausforderung, die Technologie zur Lösung dieser Innovationsprobleme zu entwickeln.

Während Automobilingenieure die Zukunft des Transportwesens umgestalten, sind Anbieter wie Molex und Distributoren wie DigiKey mit von der Partie und liefern hochwertige Komponenten, Dienstleistungen und Fachwissen, um diesen Wandel zu ermöglichen.