Elektrofahrzeugen

VOM NETZ ZUM ANTRIEB

Anschlusstechnologien von der Ladeschnittstelle hinein ins Energiebordnetz über die Batterie bis hin zum Elektromotor.

Überall nutzen wir portable, batteriebetriebene Geräte: Handys, Tablets, Laptops, Laubgebläse, Akku-Werkzeuge, Drohnen (und das sind nur einige Beispiele) sind Teil unseres Lebens. Was früher unvorstellbar war, ist heute ganz normal geworden. All diese Geräte haben gemeinsam:
1) Sie müssen Energie sicher und effizient in einer Batterie speichern.
2) Sie müssen schnell und bequem aufladbar sein.
3) Sie müssen einfach und sicher zu handhaben sein.
Dasselbe gilt für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs). Sie sind aktuell noch nicht so omnipräsent wie die portablen Geräte, da wir in der technologischen Umsetzung und der Marktdurchdringung noch am Anfang stehen. Ein Grund hierfür ist eine weitere Anforderung an das batteriebetriebene Elektrofahrzeug: Es muss (Punkt vier) selbst unter extrem schwierigen Bedingungensicher funktionieren, und der Fahrer darf damit niemals einfach liegen bleiben. Oder wie Gene Kranz, der frühere NASA-Flugbetriebsleiter, so treffend gesagt haben soll: „Scheitern ist keine Option.“ Die Automobil-industrie konzentriert sich bei der Entwicklung neuer, verbesserter Fahrzeugarchitekturen auf Lösungen für die Herausforderungen hinter diesen vier Punkten. Konnektivität – vom Energienetz zum Antrieb – ist entscheidend für die Umsetzung der Vision von Elektromobilität. Die Ingenieure von TE Connectivity (TE) arbeiten eng mit Kunden und Anwendern aus der gesamten Branche zusammen, um alle Aspekte der Aufbau- und Verbindungstechnik zu adressieren – von der Ladeschnittstelle hinein ins Energiebordnetz über die Batterie bis hin zum Elektromotor.

  1. HV-Verbindungslösungen für die Mobilität der nächsten Generation (Englisch)

Von der Ladestation über die Batterie bis hin zum E-Motor bietet TE Connectivity durchgängige Hochvoltverbindungs-lösungen für eine nachhaltige Mobilität der nächsten Generation.

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 Looking for EV Battery Connectivity Solutions?

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Die aktuell verfügbare Schnellladeinfrastruktur kann zwischen 50 und 200 Kilowatt (kW) Energie bereit-stellen. Damit kann man bei den heute üblichen Batterie-größen in der Regel in einer Stunde knapp über 300 km Reichweite laden. Derzeit entwickelt die Branche Hoch-leistungsladesysteme (HPC – High Power Charging), die dieselbe Reichweite (300 km) in ca. 10 Minuten bereitstellen können – und damit eine ganz ähnliche Nutzererfahrung wie beim Betanken eines  konventionellen Verbrennungsmotor-fahrzeugs (ICE – Internal Combustion Engine) bieten. Verglichen mit dem klassischen Handy sind die Anforderungen an das Laden von Elektrofahrzeugen also bereits heute 1.000-mal anspruchsvoller und werden in naher Zukunft um noch eine Größenordnung höher liegen (nämlich 10.000-mal). Diese Anforderungen zwingen die Branche zur Entwicklung innovativer Lösungen für bisher nie dagewesene Heraus-forderungen an die Automobilindustrie. Bei vielen heute verfügbaren E-Fahrzeugen ist die Ladefähigkeit noch auf bis zu 50 kW begrenzt. Die künftigen Ladeanschlüsse müssen 10- bis 20-mal höhere Leistungen bewältigen können. 500 kW durch einen Anschluss zu transportieren, der für 50 kW ausgelegt wurde, ist, als müsste man aus einem Feuerwehrschlauch trinken. Anschlüsse, Kabel, Schalter/Schütze müssen für diese Stromübertragung ebenso ausgelegt sein wie für Hitze, und sie müssen hohen Sicherheitsanforderungen genügen. Neue Thermo-Modelle und -Simulationen werden gebraucht für das Design von Komponenten und Subsystemen, die mit diesen hohen Ladespannungen und -strömen umgehen können.

Die Batterie eines Elektrofahrzeugs ist im Vergleich zur Handybatterie enormen Belastungen ausgesetzt. Sie muss über die 200-fache Kapazität verfügen und mit einer 100-fach höheren Spannung arbeiten. Das macht eine Elektrofahrzeug-batterie sehr komplex. Als wäre das nicht herausfordernd genug, müssen die großen Automobilbatteriepacks auch noch optimal im Fahrzeug untergebracht werden und selbst unter härtesten Bedingungen sicher und zuverlässig funktionieren.
Aufgrund der steigenden Nachfrage nach immer mehr Batteriekapazität und umwelt- sowie ressourcenschonenden 
Energietechnologien wird aktuell dramatisch in die Verbesserung von Batterietechnologien investiert, um die zum Betrieb eines Fahrzeugs erforderlichen Energiemengen
speichern zu können. Die entscheidenden Herausforderungen dabei sind Sicherheit, Zuverlässigkeit und Bauteilgröße. Innerhalb der Batterie sind sichere Zelle-zu-Zelle Aufbau- und Verbindungstechnologien und flexible Hochspannungs-Batteriemodulkontaktierungen erforderlich, um Batteriepacks optimal für Energieinhalt und Bauraum skalieren zu können.

Die maximale Reichweite pro Ladezyklus ist entscheidend.  Den einen Teil der Herausforderung haben wir bereits adressiert: die Batteriekapazität. Der zweite und ebenso entscheidende Teil der Geschichte ist ein effizienter 
Fahrzeugbetrieb. Wie gelangt man von A nach B mit dem geringst möglichen Energieverbrauch? Die intelligente, „fahrwunschgenaue“ Ansteuerung des Elektromotors und die Rekuperation (Energierückspeisung in die Batterie während der Fahrzeugverzögerung) sind entscheidende Hebel für einen energieeffizienten Betrieb. Zusätzlich suchen die Fahrzeug-hersteller nach neuen Möglichkeiten, das Fahrzeug durch die Nutzung von immer mehr Daten (von Fahrzeugsensoren oder von außen bereitgestellt) stetig effizienter zu machen. Ein Beispiel hierfür sind Verkehrsleitsysteme: Wenn mich mein Fahrzeug auf den effizientesten Weg führt (Staus vermeidet, Sperrungen umfährt, das Geländeprofil berücksichtigt usw.), dann kann ich den Energieverbrauch minimieren. Ein weiteres Beispiel ist die Kommunikation des Fahrzeugs mit intelligenten Verkehrssignalen: Weniger Stopps bedeuten weniger Energie-verbrauch, weil weniger Anfahrverluste auftreten. Für alle diese Entwicklungen wird ein neues Sensorportfolio zur Sicher-stellung optimaler Betriebsstrategien in Elektrofahrzeugen benötigt. Für dieses anspruchsvolle Energiemanagement braucht man hochintegrierte Elektroniklösungen – weil sie einerseits kleiner und leichter sind und andererseits den Fahrzeugkonstrukteuren maximale Flexibilität bieten. Neue Elektrofahrzeug-Architekturen benötigen Komponenten, die in sich Sensorik, intelligente Datenverarbeitung und -kommunika-
tion sowie zuverlässige Anschlüsse in einer robusten Baueinheit vereinen. Solche Architekturen erfordern Aktoren (elektronisch steuerbare Schalter), um unterschiedlicher Lasten bedarfs-gerecht schalten zu können und so die Verlustleistungen zu beherrschen und zu minimieren. Zudem benötigen sie Hoch-geschwindigkeits-Datenkonnektivität (sowohl drahtgebunden wie drahtlos) für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug (V2V) und die Fahrzeug-zu-Infrastruktur (V2I) Kommunikation sowie zur intelligenten Fahrzeugsteuerung.

Die Betriebsbedingungen, unter denen Elektrofahrzeuge funktionieren müssen, sind um eine Größenordnung erheblich härter als bei einem Handy oder Laptop. Regen, Schnee, Hitze, Kälte, schlechte Straßen – all dies darf ein Fahrzeug nicht ausfallen lassen. Das Schalten hoher Spannun-gen kann elektromagnetische Interferenzen (EMI) verursachen und so die Kommunikation und Signalübertragung in Nieder-spannungsschaltkreisen stören. Wenn das Handy oder der Laptop ausfallen, ist das schlimm. Aber wenn das Fahrzeug ausfällt, kann das dramatische Folgen haben. Ein Handy ist nicht den harten Umgebungs- und EMI-Belastungen unterworfen, denen ein Elektrofahrzeug jeden Tag ausgesetzt ist. Die Architekturen und Betriebsstrategien eines BEV sind viel enger mit Flugzeugen, Energienetzen und Geräten der Unterhaltungselektronik verwandt, als mit der Herangehens-weise an das klassische Verbrennungsmotorfahrzeug. Daher muss die Autoindustrie die Erkenntnisse aus einer Vielzahl anderer Branchen zur Entwicklung neuer Automobillösungen für ihre Kunden nutzen. Materialund Kontaktphysiker müssen an die Grenzen der Physik gehen, um praktikable, robuste Lösungen für den schnell wachsenden Elektromobilitätsmarkt zu entwickeln. Material- und Sicherheitstests im Automobil-bereich werden auf Luftfahrt- und Industrieanlagen-Niveau steigen.