Eine Bewegung elektrisieren

Der Trend in Richtung Elektrifizierung gegenüber den Gesamtbetriebskosten Die Elektrifizierung von Fahrzeugen gewinnt an Fahrt, da Erstausrüster und Automobilhersteller die Innovationen in der Branche vorantreiben. Die Vorteile der Elektrifizierung sind tiefgreifend und zahlreich, wodurch eine neue Form des Transports geschaffen wird, die unter anderem den Verbrauch nicht erneuerbarer Energien und die CO2-Emissionen verringert. Natürlich gibt es noch Hürden, die zu überwinden sind. Dazu gehören der Aufbau einer weit verbreiteten Ladeinfrastruktur, die Entwicklung von Fahrzeugarchitekturen und -lösungen der nächsten Generation und die Finanzierung dieser umfangreichen Brancheninnovation. Dennoch unterscheiden sich die Herausforderungen gewerblich genutzter Elektrofahrzeuge stark von denen der für den privaten  Gebrauch hergestellten Fahrzeuge.

 Für ein Unternehmen ist es eine Selbstverständlichkeit, die Bedürfnisse der Kunden zu erfüllen. Wenn dieses Unternehmen im Transportsektor tätig ist, können diese Bedürfnisse in der Regel kurz als termingerechtes Liefern zu den niedrigsten Kosten für den Kunden beschrieben werden. Unternehmen wollen die Gesamtbetriebskosten minimieren und gleichzeitig die Kundenanforderungen erfüllen, um ihre Rentabilität und betriebliche Effizienz zu steigern.

Jedes der nachstehend in Abbildung 1 dargestellten Anliegen steht in direktem Zusammenhang mit den Herausforderungen, denen das industrielle und gewerbliche Verkehrswesen (ICT) derzeit gegenübersteht. Jedes betrifft die Gesamtbetriebskosten in irgendeiner Weise, und jedes wird schließlich erfüllt werden. Eine dieser zentralen Herausforderungen, vor denen die Branche heute steht, ist die Ladedauer eines Batterie-Elektrofahrzeugs (BEV).

Es gibt viele kommerzielle Anwendungen, bei denen die Ladedauer nicht das größte Problem darstellt. Stadtbusse zum Beispiel können sehr schnell vollständig elektrische Antriebsarchitekturen übernehmen. Städte in den USA und Europa führen Elektrobusse für kommunale Anwendungen ein. Doch China hat sich auf beeindruckende Weise auf Busflottenanwendungen konzentriert. Von den weltweit rund 425.000 Elektrobussen, die heute unterwegs sind, fahren über 400.000 auf den Straßen Chinas. Diese Busse zirkulieren auf gut definierten Routen und verfügen über eigene Ladestationen in ihren Parkhäusern. Schulbusse sind weitere Kandidaten für die schnelle Einführung von Batterie-Elektromotoren. Sie werden über einen kleinen Prozentsatz der Tagesdauer verwendet und zirkulieren auf gut definierten Routen. Auch Zustellunternehmen („letzten Meile“) von Post- oder Paketdiensten wie DHL, Yamato Transport, UPS, Zhongtong und Amazon sind in der Lage, schnell batteriebetriebene Elektromotoren einzuführen.

Für andere kommerzielle Anwendungen ist der Umstieg auf den Batterie-Elektroantrieb nicht so einfach. Für ein Transportunternehmen mit Langstreckentransporten, das Produkte, Personen oder Erzeugnisse transportiert, ist eine stundenlange Verzögerung für das Laden eines LKW oder Busses schlichtweg inakzeptabel. Die Waren müssen schnell und pünktlich an ihrem vorgesehenen Zielort ankommen. Für Reisende, die eine Busfahrt ins Ausland buchen, ist es unzumutbar, alle paar Stunden aussteigen und stundenlang warten zu müssen, bis der Bus wieder geladen ist. Die Ladezeit muss der Zeit gleichkommen, die normalerweise zum Tanken nötig ist. Wie der US-Amerikaner und Wissenschaftler Benjamin Franklin einmal sagte, ist Zeit Geld. Lange Ladezeiten führen zu weniger Kunden, weniger Durchsatz und geringeren Umsätzen.

Die Industrie konzentriert sich darauf, eine schnellere Ladeinfrastruktur bereitzustellen. Überall scheinen Ladestationen für Elektrofahrzeuge wie Pilze aus dem Boden zu schießen. In Wirklichkeit gibt es allerdings längst nicht so viele Möglichkeiten, ein Fahrzeug (geschweige denn einen schweren Langstrecken-Lkw) schnell und bequem zu laden, wie es an einer Tankstelle vollzutanken. Die Transport- und Stromversorgungseinrichtungen arbeiten hart daran, diesem kritischen Bedarf der Industrie gerecht zu werden, wie Abbildung 2 auf der nächsten Seite zeigt.

 Die heute verfügbaren Schnellladegeräte, die zwischen 50 und 200 Kilowatt Leistung liefern, erweitern in der Regel die Reichweite eines normalen Elektrofahrzeugs in einer Stunde um knapp 320 km. Derzeit entwickelt die Industrie Hochleistungsladelösungen, die fähig sein sollen, in 10 Minuten oder weniger die gleiche Ladekapazität (320 km Reichweite) bereitzustellen, wodurch eine Erfahrung entsteht, die dem Volltanken eines Fahrzeugs mit Verbrennermotor gleichkommt. Das Nutzfahrzeugsegment mit größeren Batterien und längeren Fahrten hat angesichts der großen Batteriekapazitäten für seine Anwendungen einen hohen Bedarf an Ladelösungen mit noch höherer Leistung. Mehrere Gruppen, darunter die Society of Automotive Engineers (SAE), CharIN E.V. und der Verband CHAdeMO, arbeiten daran, weltweite Ladestandards für Elektrofahrzeuge zu entwickeln.

 Verschiedene Protokolle und physikalische Schnittstellen wurden von diesen branchenumfassenden Gremien bereits entwickelt. Derzeit wird daran gearbeitet, ultraschnelles DC-Laden zu bewerkstelligen und zu beschleunigen. Während die genaue Umsetzung eines Standards noch debattiert und diskutiert wird, ist bereits sicher, dass es in nicht allzu ferner Zukunft eine ultraschnelle DC-Ladelösung geben wird. Ob dies, wie in Abbildung 2 beschrieben, über Steckladestationen erfolgen soll oder über Stromabnehmer – mit dem Sicherstellen, dass Fahrzeuge bereit sind, die Vorteile des ultraschnellen Ladens zu nutzen, können die Hersteller nicht warten, bis die Standardschnittstelle definiert ist.

Fahrzeuge stehen vor technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Schnelllade-Konnektivität. Werden Fahrzeuge bereit sein, 500 KW-Ladevorgänge wirksam umzusetzen? Ladekapazitäten von 1 MW und höher? Die Notwendigkeit, ein Fahrzeug in Minutenschnelle statt in Stunden aufladen zu können, ist offensichtlich – der Weg zur sicheren und effizienten Erfüllung dieser Anforderung bisher allerdings nicht.

Diese Anforderungen treiben die Branche dazu, sich auf ein breites Spektrum an Lösungen zu konzentrieren, um nie dagewesene Herausforderungen zu lösen. Ladeanschlüsse müssen in der Lage sein, das 10- bis 20-Fache der Leistung der derzeitigen Generation von Elektrofahrzeugen zu bewältigen. Der Versuch, bis zu 1 (oder mehr) Megawatt Leistung durch einen Anschluss zu schleusen, der für 50 Kilowatt ausgelegt ist, kommt dem Versuch gleich, aus einem Feuerwehrschlauch zu trinken. Sämtliche Anschlüsse, Kabel und Schalter/Schütze müssen in der Lage sein, diese Energieübertragung intelligent zu verwalten und den einhergehenden Wärme-, Lichtbogen- und Sicherheitsproblemen gerecht zu werden. Es müssen neue thermische Modellierungs- und Simulationstechniken entwickelt werden, die ein optimiertes Design der Komponenten und Subsysteme ermöglichen, das den hohen Ladespannungs- und Stromanforderungen standhält.

 Genaue Messungen durch berührende und berührungslose Methoden müssen Echtzeitinformationen für ein intelligentes Energiemanagement bereitstellen.

Abbildung 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Konnektivitätsarchitektur, die jeder Fahrzeughersteller entwickelt und an seine Anforderungen anpasst. Als Konnektivitätsanbieter arbeitet TE Connectivity eng mit Kunden zusammen und fördert ihren Erfolg durch die Bereitstellung robuster Lösungen, die auf ihre spezifischen Anforderungen und Fahrzeugarchitekturen zugeschnitten sind. Speziell in Bezug auf schnelles Laden unterstützt TE Connectivity Kunden, indem es die Anwendungsanforderungen vom Ladeanschluss bis hin zur Batterie untergliedert und eine Reihe kleinerer, spezifischerer Fragen beantwortet. Bei der Zusammenarbeit mit unseren Kunden helfen wir, folgende Aspekte zu bewerten:

• Wie werden Fahrzeuge am besten unterschiedlichen globalen Standards gerecht? Bezugnehmend auf Abbildung 2 gibt es viele weltweit konkurrierende Standards für die Ladesteckerschnittstelle, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. TE Connectivity arbeitet mit globalen Kunden aus mehreren Transportsegmenten und bietet maßgeschneiderte Lösungen, die den Marktanforderungen entsprechen. Dies gelingt durch ein modulares, plattformübergreifendes Baukastenprinzip, das es TE ermöglicht, schnell und kostengünstig die richtigen Lösungen zur richtigen Zeit zu liefern.
• Bedeutet mehr Leistung mehr Wärme? Das Wärmemanagement beim Laden stellt die größte Herausforderung für Anschluss, Stecker und Kabel dar. Die einfache Physik besagt folgendes: P = V x I; Wärme = I2R (wobei P = Leistung; V = Spannung; I = Strom; R = Widerstand). Typische Akkus liegen derzeit bei 480 V. Der Wechsel von 50 kW (480 V x 100 A) auf 240 kW (480 V x 500 A) entspricht einer 5-fachen Leistungssteigerung bei einer 25-fachen Wärmezunahme. TE Connectivity hat eine betriebsinterne elektro-thermische Modellierungs- und Simulationskapazität, die ein optimiertes Design der Komponenten und Subsysteme ermöglicht, das den hohen Ladespannungs- und Stromanforderungen standhält.
• Bestimmt die höhere Leistung, die erforderlich ist, um schnell laden zu können, die technologischen Fortschritte beim Ladeeinlass? TE Connectivity hat Ladeeinlässe mit integrierter Sensor- und Betätigungsfunktion entwickelt, um eine intelligente Ladesteuerung zu ermöglichen und gleichzeitig einen berührungssicheren Betrieb und sichere und zuverlässige Angaben zum Ladezustand zu gewährleisten. Diese Einlässe können skaliert werden, um unterschiedlichen elektrischen/elektronischen Architekturen im Fahrzeug gerecht zu werden, vom diskreten Punkt-zu-Punkt-Betrieb bis hin zur verteilten intelligenten Steuerung. Die Teams für Architektur und Elektronik von TE bieten passende Lösungen für unterschiedliche Ladestationansätze und -protokolle.
• Bedeutet höhere Leistung dickere Drähte und größere Anschlüsse? Ströme von mehr als 200 A erfordern Kühlung, damit die Größe der Kabel und Stecker zwischen Ladestation und Fahrzeug handlich bleibt. Wenn die Verbindungselemente einfach größer gemacht werden, werden sie unbrauchbar und kostspielig. Ähnliche Herausforderungen gibt es im Fahrzeuginneren. Während die Verbindung aus dem Einlass nicht unter den physischen Aspekten eines Ladekabels betrachtet werden muss, muss sie dennoch so klein, leicht und kostengünstig wie möglich sein. TE Connectivity arbeitet mit Kunden zusammen, um diese komplexen Probleme proaktiv anzugehen, seine materialwissenschaftliche und kontaktphysikalische Expertise zu nutzen und aktive Kühl- sowie fortschrittliche Energieverwaltungstechniken bei der Entwicklung innovativer neuer Lösungen einzusetzen. Abbildung 4 zeigt manche der Kühlmöglichkeiten entlang des Hochleistungskonnektivitätspfads.
• Welche Sicherheitsauswirkungen hat der höhere Leistungsbedarf für schnelles Laden? Je höher die Leistung und Spannung, desto höher das Sicherheitsrisiko. Ladeschnittstellen sind aufgrund von Sicherheitsbedenken bezüglich der Spannung auf 1000 V bis 1500 V begrenzt. Damit die Nutzer sich beim Anfassen der Ladevorrichtung nicht verbrennen, müssen die Temperaturen verwaltet werden. TE Connectivity arbeitet mit Kunden zusammen, um Konnektivitätslösungen für diese Herausforderungen bereitzustellen. Durch die Integration von Sensorik (Temperatur, Spannung, Strom) entlang des Stromweges sowie die Bereitstellung steuerbarer Elemente (Schütze, Relais, intelligente Einlässe, intelligente Betätiger) verfügen Kunden von TE über verschiedene Hebel, mit denen sie den Stromweg von Anfang bis Ende intelligent verwalten und sicher steuern können.
• Können Akkuanschlüsse im Fahrzeug mit der erhöhten Leistung umgehen? Die Entwicklung der Akkutechnologie ist ein Hauptbereich der Industrieinvestitionen. Wenn die Reichweite einer einzigen Ladung erhöht werden soll, bedeutet dies, dass Akkus mit erhöhter Leistungsdichte benötigt werden. Die Herausforderung besteht darin, die Leistung pro cm3 zu maximieren und gleichzeitig die Paketgröße zu minimieren und die Kosten unter Kontrolle zu halten. TE Connectivity entwickelt physikalisch konforme Hochspannungs-Akkumodulkontakte und Verbindungsschnittstellen, die unseren Kunden das Skalieren von Akkueinheiten ermöglichen. Es sind robuste Verbindungen für raue Umgebungen mit integrierter Strom-, Spannungs- und Temperatursensorik, die eine intelligente Steuerung der Akkuverwaltung (Ladezustand und allgemeiner Zustand) ermöglicht. Auf diese Weise können Kunden die aktive chemische Masse gegenüber dem mechanischen Overhead des Akkusystems ausgleichen.

TE Connectivity als Lieferant der Wahl. Zusammenfassend gilt, dass die Branche mehr Akkuleistung in kürzerer Zeit (Minuten anstelle von Stunden) bereitstellen muss, um Fahrzeuge für kommerzielle Langstreckenanwendungen zu „betanken”. Mehr Leistung bedeutet mehr Wärme und eine höhere Beanspruchung der Komponenten im Fahrzeug, vom Ladeeinlass bis zur Batterie. Dieses Phänomen muss intelligent verwaltet werden. Berührende und berührungslose Sensortechniken sind erforderlich, um akkurate Echtzeitinformationen zu Temperatur, Spannung und Strom bereitzustellen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, arbeitet das Team aus Ingenieuren und Wissenschaftlern von TE Connectivity eng mit Kunden zusammen und fördert ihren Erfolg, indem es robuste Lösungen entwickelt, die auf ihre spezifischen Bedürfnisse und Fahrzeugarchitekturen für die härtesten Umgebungen von heute und der fernen Zukunft zugeschnitten sind.

Wir sind ein systemkundiger Anbieter von Konnektivitätslösungen mit Elektronikarchitektur und physischem Integrations-Know-how, das es uns ermöglicht, die technische Sprache unserer Kunden zu sprechen. Wir unterstützen unsere Kunden mit einem umfassenden Produktportfolio, technischer Designexpertise und Know-how sowie Fertigungs- und Anwendungswerkzeugen. Wir nutzen die Leistungsfähigkeit von TE – unsere Tiefe und Breite von Branchen und Märkten, die von unseren Ingenieuren, Wissenschaftlern und unserer globalen Präsenz bedient werden.

Produktportfolio. Als weltweit führender Anbieter von Konnektivitätslösungen arbeiten wir mit unseren Kunden und anderen Technologieführern der Branche zusammen, um maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln, die diesen diversen architektonischen Herausforderungen für Hochleistungs-Konnektivitätslösungen gerecht werden. Wir verfügen über ein starkes Portfolio an Anschlüssen und Steckverbindern, die auf zunehmende Leistungs- und Vibrationsanforderungen zugeschnitten sind. Wir können komplette Einlassbaugruppen bereitstellen, die eine intelligente Ladesteuerung ermöglichen und gleichzeitig einen berührungssicheren Betrieb sowie sichere und zuverlässige Angaben zum Ladezustand gewährleisten. Zu diesen Lösungen gehören Hochleistungssteckverbinder zum Laden, integrierte Betätiger zum Verriegeln von Kabeldüsen an den Fahrzeugen, Sensoren zur Bereitstellung von Temperatur- und Strominformationen für Batteriemodule sowie LEDs, die den Fahrzeugbetreiber informieren.

Wir bieten robuste Verbindungen für raue Umgebungen mit integrierter Strom-, Spannungs- und Temperatursensorik, die eine intelligente Steuerung der Akkuverwaltung (Ladezustand und allgemeiner Zustand) ermöglicht. Zur Abrundung des Portfolios bieten wir Hochvoltschütze (elektronisch steuerbare Schalter) und Steckverbinder, die eine sichere und effiziente Leistungsumschaltung und -verteilung für intelligentes und optimiertes Laden ermöglichen.

Technische Designexpertise und Know-how. Das Team von Ingenieuren, Kontaktphysikern und Materialwissenschaftlern von TE Connectivity arbeitet auf der Grundlage von mehr als 75 Jahren Erfahrung in physischen Verbindungssystemen eng mit Kunden zusammen, um optimierte Lösungen für immer höhere Konnektivitätsanforderungen und -herausforderungen zu entwickeln. 

Mit Designzentren auf der ganzen Welt können alle Simulationen, Modellierungen, Prototypen und Tests in der Nähe des Standorts unserer Kunden durchgeführt werden. Weitere technische Möglichkeiten: HF-Design- und EMV-Expertise; Design-, Fertigungs- und Verarbeitungswerkzeug-Expertise in miniaturisierter und konformer Verbindungstechnologie, die kleine, robuste Einheiten ermöglicht; nahtlose Integration der Elektronik; Umweltprüfungs- und Entwicklungslabore an Designstandorten zur Unterstützung beider Enden des Produktentwicklungszyklus; Werkzeug und Ausrüstung, um Designs für die sich ständig weiterentwickelnden Anforderungen der Betriebsumgebung zu optimieren.

Tiefe und Breite der belieferten Industrien und globale Präsenz. TE Connectivity bedient eine Vielzahl von Kunden aus verschiedenen Branchen und Märkten, darunter Unterhaltungselektronik, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Industrie, Haushaltsgeräte, Transport, um nur einige zu nennen. Durch die Vernetzung und Nutzung unseres gesamten Unternehmens können unsere auf das industrielle und gewerbliche Verkehrswesen fokussierten Ingenieure auf das Wissen und die Erfahrung von Kollegen auf der ganzen Welt zurückgreifen, um Herausforderungen des industriellen und gewerblichen Transports zu lösen.

Wir nehmen an verschiedenen Normungsausschüssen und Branchenkonsortien teil, die es uns ermöglichen, Problemlösungen frühzeitig anzugehen. Wir investieren im Voraus intensiv in F&E und versuchen, bei der Lösung schwieriger Herausforderungen in der Branche zusammenzuarbeiten, bevor sie zu Problemen für unsere Kunden werden.