Elektrifizierte Nutz- und Industriefahrzeuge

DER WEG ZUR ELEKTRIFIZIERUNG Die Gesellschaft fordert sauberere und geräuschärmere Alternativen zu Benzin- und Dieselmotoren – und die Transportindustrie reagiert. Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure an umweltfreundlicheren Verfahren zum Betrieb von Autos und Nutzfahrzeugen. Alternative Kraftstoffe, wie Ethanol, Biodiesel, Erdgas, Wasserstoff und Propan, wurden entwickelt und für den Transport von Menschen und Gütern von Ort zu Ort eingesetzt. Die Zukunft des Transportwesens wird zweifellos auch den Elektroantrieb umfassen, auch wenn dieser nicht die einzige Form sauberer Energiequellen sein wird. Anfangs belächelt, dann immer häufiger anzutreffen und schließlich Normalität: Elektrofahrzeuge (EV) sind aus unserem Alltag wohl schon bald nicht mehr wegzudenken.

In den meisten städtischen Umgebungen kann man kaum vor die Tür gehen, ohne auf ein Elektroauto zu treffen, das an eine öffentliche Ladesäule angeschlossen ist. Beim Einkaufszentrum, in der Nähe eines Hotels oder in einem öffentlichen Parkhaus – es ist offensichtlich, dass es immer mehr Ladesäulen gibt. Was wir heute erleben, ist aber eindeutig erst der Anfang. Heute sind erst zwei Prozent der Autos Plug-in-Elektrofahrzeuge, und bei Lkw und Bussen sogar noch weniger. Es ist erst zirka 20 Jahre her, dass die Elektroautoindustrie einen furiosen Start hinlegte, aber danach anscheinend noch schneller wieder ins Stocken geriet. Seitdem hat sich viel verändert. Heute kann man mit Sicherheit sagen, dass der elektrische Antrieb aus der Zukunft nicht mehr wegzudenken ist.

Doch wie sieht es mit Nutzfahrzeugen für den industriellen und gewerblichen Transport (ICT) aus? Mit Lkw und Bussen? Mit Fahrzeugen für das Bauwesen, die Landwirtschaft und den Bergbau? Diese Branchen reduzieren durch die Elektrifizierung derzeit rasant ihren Kraftstoffverbrauch und ihre Emissionen, während sie gleichzeitig noch die Effizienz und Produktivität steigern. Fachleute rechen damit, dass die meisten Transportarten bis zum Jahre 2040 bereits Elektromotoren und/oder umweltfreundlichere Energiequellen einsetzen werden, um die verschärften Normen zu erfüllen.

Der Grund für das zwanzig Jahre währende Auf und Ab ist kompliziert. Die Wettbewerbslandschaft besteht aus vielfältigen Anwendungen und Anwendungsfällen, die einer Fahrzeugelektrifizierung unter den heutigen Bedingungen förderlich sein können ... oder auch nicht. Überall in dieser Landschaft trifft man auf Vorschriften, Gesetze sowie soziale, ökonomische und technische Hindernisse, die buchstäblich an jeder Straßenecke die Machbarkeit untergraben. Auf die Transportbedürfnisse ausgerichtete Stromnetz Infrastrukturen stehen erst am Anfang. Weltweit setzen Großstädte und Ballungszentren komplette Fahrverbote für Fahrzeuge mit fossilen Kraftstoffen in Kraft, erwarten aber dennoch, dass Waren geliefert und Dienstleistungen erbracht werden. Die Lärmbelästigung, insbesondere rund um Schulen und Krankenhäuser, wird immer besorgniserregender. Diese Faktoren tragen im Zusammenhang mit den sinkenden Kosten für die Batterietechnik und einer verbesserten Batterietechnologie dazu bei, dass sich Elektroantriebe auch außerhalb der Stadtzentren für solche Off-Highway-Branchen, wie Bergbau, Bauwesen und Landwirtschaft, als Alternative herauskristallisieren.

Das breite Spektrum von Anwendungsfällen führt zu vielfältigen Elektrifizierungswegen für den industriellen und gewerblichen Transportverkehr. Die ICT-Landschaft ist recht komplexer Natur. Der Übergang von „schmutzigen“ Verbrennungsmotoren (ICE) zu umweltfreundlicheren Antriebsverfahren ist hier nicht so einfach wie beim Pkw. Dabei ist die Geschichte des Pkw selbst bis heute alles andere als einfach. Es gibt viele verschiedene Anwendungen und Anwendungsfälle, und jeder von diesen bietet mehrere Möglichkeiten mit unterschiedlichen (optimierten) Lösungen. Der Übergang zu elektrifizierten Antriebssträngen wird sich je nach der Aufgabe des Fahrzeugs unterscheiden.

Lkw können Ferntransporte durchführen, Waren über Land oder im Nahverkehr liefern oder lokal und innerhalb kurzer Strecken Waren liefern und Dienstleistungen erbringen. Dabei kann es sich um schwere Nutzfahrzeuge handeln, die große und massive Güter transportieren, oder auch um mittlere bzw. leichte Nutzfahrzeuge, die kleinere Güter liefern. Bei Bussen kann es sich um Reisebusse handeln, die Menschen über große Entfernungen transportieren. Es können aber auch Stadt- oder Schulbusse sein, die während ihrer festgelegten Einsatzzeiten auf kürzeren, feststehenden Strecken Personen befördern. Weitere Anwendungen sind unter anderem Industriemaschinen für das Bauwesen, den Bergbau oder die Land- und Forstwirtschaft. Diese breite Vielfalt an Anwendungsfällen macht den Übergang von Verbrennungsmotoren zu Elektroantrieben komplizierter.

VIELE WEGE FÜHREN ZUR ELEKTRIFIZIERUNG Nicht nur die Anwendungsfälle für schwere Nutzfahrzeuge und Maschinen sind komplex und vielfältig, sondern auch die möglichen Fahrzeugarchitekturen, die zur Realisierung eines umweltfreundlicheren Transports für diese Anwendungen entwickelt werden. Die heutigen Lkw und Maschinen werden normalerweise mit Verbrennungsmotoren betrieben, die über ein Getriebe zwei oder mehr Räder antreiben.

Sie nutzen hauptsächlich Benzin, Diesel oder in einigen Fällen Erdgas (CNG). Es gibt noch viel zu tun, obwohl die Industriehersteller bereits Maßnahmen zur Optimierung des Kraftstoffverbrauches und zur Minimierung von Emissionen ergriffen haben – unter anderem durch die Einführung von 48-V-Mild-Hybrid-Antrieben.

Die gesetzlichen Vorschriften und die Ausweitung der Dieselfahrverbote verstärken den Bedarf nach geringeren Emissionen noch. Deshalb beschleunigen die Fahrzeughersteller eine Entwicklung, die sich immer starker von Verbrennungsmotoren abwendet, und konzentrieren sich stärker auf Architekturen, die Elektromotoren einbeziehen. Die von ihnen aktiv verfolgten Konzepte lassen sich in vier Kategorien zusammenfassen:

Welche Technologie wird voraussichtlich in naher Zukunft eine dieser Architekturen für Elektrofahrzeuge einführen? Der zeitliche Verlauf der Einführung wird je nach Technologie und Anwendungsfall variieren. Zum Beispiel sind die Busse in Shenzhen in China heute im Wesentlichen zu 100 Prozent BEV. Diese Fahrzeuge konnten die Umstellung sehr schnell realisieren.

CHINAS ANHALTENDE VORHERRSCHAFT Es kann zehn oder gar zwanzig Jahre dauern, bis ein hoher Anteil schwerer Nutzfahrzeuge, die Güter über Kontinente und Ländergrenzen hinweg befördern, den Übergang zum vollen Elektroantrieb vollziehen kann, weil eine hochleistungsfähige Infrastruktur zum Laden dieser Fahrzeuge fehlt. Es gibt zahlreiche Erstausrüster (OEM), die über Vorführmodelle von Elektro-Lkw verfügen. Einige davon haben auch bereits einen Zeitpunkt für die Produktionsaufnahme dieser Fahrzeuge in den nächsten Jahren angekündigt. Bevor jedoch eine umfassende Einführung umgesetzt werden kann, müssen die Infrastrukturen zum Aufladen beziehungsweise zum Nachfüllen von Wasserstoff allgemein breiter verfügbar gemacht werden.

Schulbusse wiederum werden nur für einen kurzen Teil des Tages genutzt und fahren auf klar definierten Routen. Diese Art von Anwendungsfall erleichtert die Einführung einer Ladeinfrastruktur per Steckdose, kabellos oder über Stromabnehmer. Dadurch eignen sich diese Busse hervorragend für eine schnelle Umstellung vom Diesel- auf den Elektroantrieb. Ähnlich verhält es sich mit Baumaschinen – sie können zur Baustelle gebracht und anschließend tagelang dort zurückgelassen werden, bis die Arbeiten abgeschlossen sind. Sie können einen halben Tag lang genutzt und danach über Nacht aufgeladen werden, wenn eine geeignete Ladesäule bereitgestellt wird. Im Bergbau mit seinem rund um die Uhr Betrieb kann ein voll elektrischer Antrieb ebenfalls kontinuierlich betrieben werden, ohne dass eine regelmäßige Luftreinigung erforderlich ist.

Obwohl hier ein leiserer Betrieb und eine Arbeitsumgebung mit höherer Arbeitssicherheit gewünscht sind, erzielen die Minenbetreiber auch erhebliche Kosteneinsparungen bei Diesel, Propan und Elektrizität. Außerdem erreichen sie bei der höheren Betriebszeit der Elektrofahrzeuge im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen mit Verbrennungsmotoren, die mehr Bauteile und höhere Wartungskosten haben, Produktivitätssteigerungen. Bei Lkw, Bussen oder Industriemaschinen kann der jeweilige Anwendungsfall die Schnelligkeit der Einführung elektrischer Alternativen bestimmen. Aber ungeachtet dessen, wann die Elektrifizierung stattfindet und ob voll elektrische Fahrzeuge oder Hybride eingeführt werden: Die Fahrzeugelektrifizierung ist aus dem industriellen und gewerblichen Transport künftig nicht mehr wegzudenken.

VERBINDUNGSTECHNOLOGIEN ZUR ELEKTRIFIZIERUNG DES ANTRIEBSSTRANGS IM INDUSTRIELLEN UND GEWERBLICHEN TRANSPORTWESEN ERFORDERN ZUVERLÄSSIGE, ROBUSTE UND INNOVATIVE LÖSUNGEN Im Bereich der industriellen und gewerblichen Transportfahrzeuge und Maschinen erleben wir eine Umstellung auf voll elektrische Konzepte. Viele Faktoren führen die Gesellschaft auf dem Weg der Antriebsumstellung – von eigenständigen internen Verbrennungsmotoren über Teil- und Vollhybridlösungen hin zu intelligenten, voll elektrifizierten Antriebsarchitekturen. Neben den bestehenden gesellschaftlichen Herausforderungen gilt es jedoch auch technische Hürden zu meistern. Industrielle und gewerbliche Transportanwendungen verlangen eine hohe Leistung UND einen störungsfreien Betrieb in äußerst rauen Umgebungen, in denen Ausfälle nicht vertretbar sind. Es ist ein Muss, robuste Verbindungssysteme für diese geschäftskritische Branche sicherzustellen, um dem weltweiten Bedarf gerecht zu werden.

Wann genau die verschiedenen Konzepte für die Antriebsarchitektur schwerer Nutzfahrzeuge eingeführt und wie sie im Detail weiterentwickelt werden, ist derzeit unklar. Unterschiedliche Anwendungen, Vorschriften und branchenspezifische Herausforderungen (gesellschaftlicher, wirtschaftlicher und technischer Natur) tragen insgesamt zu einer mangelnden Klarheit in der Branche bei. Auch wenn der zeitliche Ablauf unsicher ist, wissen wir mit hoher Sicherheit, dass für die Fahrzeuge – unabhängig davon, ob sie Hybridarchitekturen oder voll elektrische Antriebsstränge nutzen werden

Wir müssen die Energieübertragung auf intelligente Weise steuern und Wärme-, Lichtbogen- und Sicherheitsprobleme lösen können Eine der dringendsten Herausforderungen der Branche ist die Frage, wie die Anforderungen der Kunden hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) am besten erfüllt werden können. Zu ihnen gehören die Hochfrequenzstörfestigkeit (RFI), die Störfestigkeit gegen elektromagnetische Einflüsse (EMI) und die Minimierung der eigenen Störaussendungen. Aufgrund der sinusförmigen Leistungscharakteristik ist dies für AC-Hochleistungssysteme besonders wichtig. Für DC-Systeme gilt dies auch – in der Abschirmung eines Elektrokabels können Induktionsströme auftreten, die bis zu 35 Prozent der Stromstärke in der Hauptstromleitung betragen. Bei einem elektrifizierten Antriebssystem können sich diese, je nach Systemleistungsbedarf, zum Beispiel bis auf mehrere hundert Ampere belaufen. Die Fahrzeug- und Anlagenhersteller benötigen kostengünstige und effiziente innovative Anschlusstechnologien, um einen geringen Widerstand bei weitestgehend reduzierter Korrosion zwischen Abschirmgeflecht und Stromleitung zu gewährleisten.

VERBINDUNGSSYSTEME FÜR ENERGIESPEICHERSYSTEME Bei einem Lkw oder Bus geht es vor allem um die Reichweite, und bei schweren Nutzfahrzeugen um die Betriebszeit und die Ladeanforderungen. All diese Aspekte sind eine Funktion der Energiemenge, die in den Batterien gespeichert oder durch die Brennstoffzellen erzeugt werden kann. EV-Batterien sind aufgrund ihrer Betriebsspannungen und Stromstärken recht komplex. Erschwerend kommt hinzu, dass die Akkupacks in die Fahrzeugabmessungen passen und in einer äußerst rauen Umgebung sicher betrieben werden müssen. Dank der hohen Nachfrage nach immer mehr batteriebetriebenen Geräten und grünen Energieträgern werden enorme Investitionen getätigt, um die Batterietechnologie drastisch zu verbessern und dadurch die Energie, die für einen kostengünstigen Betrieb von Fahrzeugen und Geräten erforderlich ist, effizient zu speichern. Die Herausforderungen bestehen darin, die Energiespeicherung sicher, zuverlässig und in kleinen Akkupacks durchzuführen. Batterie- und Service-Trennsysteme sind wichtige Faktoren in der Sicherheitsgleichung. Sie alle treiben den Bedarf nach äußerst zuverlässigen, höchst flexiblen Kontakt- und Verbindungssystemen in Zelle-zu-Zelle- und Modul-zu-Modul-Verbindungslösungen voran, die eine Skalierbarkeit der Akkupacks ermöglichen. Zur Größenbeschränkung befinden sich Teilgruppen mit integrierten Sensorfunktionen in der Entwicklung. Diese sollen die intelligenten Steuerfunktionen für das Batteriemanagement ermöglichen (Lade- und Funktionszustand). Die Hersteller von Nutzfahrzeugen und -anlagen sowie die Systemanbieter benötigen miniaturisierte, konforme Technologielösungen für die Verbindungselemente. Dies ermöglicht die Herstellung kleiner, robuster Module für Akkus mit hoher Kapazität.

VERBINDUNGSSYSTEME FÜR ELEKTRIFIZIERTE, GESTEUERTE ANTRIEBSELEKTROMOTOREN Die Fahrtreichweite mit einer einzigen Ladung zu maximieren, ist entscheidend. Eine Hälfte der Herausforderung haben wir bereits diskutiert – die Batteriekapazität. Die zweite und genau so wichtige Hälfte des Problems ist der effiziente Betrieb des Fahrzeugs bzw. der Maschine. Die intelligente Steuerung des Elektromotors (weder unter-, noch obertouriger Betrieb) und die Nutzbremsung (Energierückgewinnung und -speicherung bei einer Verlangsamung des Fahrzeugs) sind Schlüsselkonzepte für einen energieeffizienten Betrieb.

Solche anspruchsvollen Steuerfunktionen bedingen ein hohes Niveau an integrierten Elektroniklösungen Darüber hinaus suchen die Fahrzeughersteller zur Effizienzsteigerung nach Möglichkeiten, um immer mehr Außendaten in das Fahrzeug zu integrieren. Dies macht eine neue Reihe von Sensoren erforderlich, mit deren Hilfe die Steuerung der Elektrofahrzeuge ein optimales Energie- und Leistungsmanagement ermöglicht. Solche anspruchsvollen Steuerfunktionen bedingen ein hohes Niveau an integrierten Elektroniklösungen – bei gleichzeitiger Minimierung ihrer Größe (und ihres Gewichts) sowie mit maximaler Designflexibilität für unsere Kunden. Neue EV-Architekturen benötigen eine einzige Komponente, die Sensoren, intelligente Datenverarbeitung und Kommunikation sowie eine robuste Verbindung in einem Paket vereint. Diese Architekturen erfordern robuste Aktuatoren und Stromverteilungselemente, die zum Schalten unterschiedlicher Lasten, zur Steuerung und zur bestmöglichen Vermeidung von Energieverlusten eingesetzt werden können. Darüber hinaus benötigen sie kabelgebundene wie auch kabellose Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen, die eine Kommunikation der Fahrzeuge untereinander und zwischen Fahrzeug und Infrastruktur sowie eine intelligente Fahrzeugsteuerung ermöglichen.

HOCHSPANNUNGS-VERBINDUNGSSYSTEME FÜR RAUE UMGEBUNGEN, IN DENEN AUSFÄLLE KEINE OPTION SIND Lkw, Busse oder Erdbaugeräte mit Elektroantrieb sind wesentlich härteren Betriebsbedingungen unterworfen als Elektroautos. Regen, Schnee, Staub, Wüstensonne, arktische Kälte, schlechte Straßen und andere harte Umgebungsbedingungen dürfen sie nicht an der Durchführung ihrer Aufgabe hindern. Hochspannungsschaltvorgänge können elektromagnetische Störungen (EMI) verursachen, die Kommunikationsverbindungen und Signale in Niederspannungsstromkreisen stören. Der Ausfall eines Telefons oder Laptops ist zwar eine große Unannehmlichkeit, doch der Ausfall eines Fahrzeugs oder einer schweren Maschine kann nicht nur zu Produktivitätsverlusten führen – sondern auch zu Konsequenzen für das Unternehmen oder im schlimmsten Fall zu schweren Verletzungen oder gar Todesfällen. Ein sicherer Betrieb ist entscheidend. Ladung, Wartung und Unfallverhütung müssen allesamt auf sichere Weise durchgeführt werden. Die Komplexität der Architektur von Elektrofahrzeugen und ihrer grundlegenden Betriebsprinzipien ähnelt eher der von Flugzeugen, Energienetzen und Geräten der Unterhaltungselektronik als den Konzepten von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Entscheidend ist, dass die ICT-Branche mit Unternehmen anderer Branchen zusammenarbeitet, um neue, anwendungsspezifische Lösungen für ihre Kunden zu entwickeln. Materialwissenschaftler und Kontaktphysiker müssen zusammenarbeiten, um neue umsetzbare und robuste Lösungen für den schnell wachsenden EV Markt zu entwickeln, in dem ein Plug-in-Ladeanschluss im Verlauf seiner gesamten Lebensdauer Tausende von Steckzyklen aushalten muss. Die Prüf- und Validierungstechniken werden bis an ihre physikalischen und sicherheitskritischen Grenzen ausgeschöpft, die normalerweise der Luft- und Raumfahrt sowie Industrieanwendungen vorbehalten sind. Die zusätzliche Komplexität bei Herstellung und Kundendienst verlangt die Entwicklung innovativer Werkzeuge und Verfahren.

Unser Team aus Ingenieuren und Wissenschaftlern arbeitet eng mit unseren Kunden zusammen, um ihren Erfolg zu garantieren, indem es robuste Lösungen bereitstellt, die auf ihre speziellen Bedürfnisse und Fahrzeugarchitekturen zugeschnitten sind Wir nutzen die gesamte Breite und Tiefe unserer Fachkompetenz im gesamten Unternehmen aus. Wir verfügen über ein starkes Portfolio an Steckverbindern, Schützen, Sensoren, Relais, Stromverteilungseinheiten (PDUs) und drahtlosen Lösungen für verschiedene Branchen. Unsere Produkte für die Hybrid- und Elektromobilität (HEMS) werden seit ihren Anfängen in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Wir nutzen unsere globale Präsenz, um Entwicklungs- und Prototypenkapazitäten zu garantieren, mit deren Hilfe unsere Kunden ihre Produkte entwickeln. Wir investieren ausgiebig in Forschung und Entwicklung und suchen nach Lösungen für Herausforderungen in der Industrie, bevor diese zu Problemen werden. Unsere Ingenieure und Wissenschaftler engagieren sich aktiv in verschiedenen Normungsgremien und Industriekonsortien. Wir verfügen weltweit über ein umfangreiches Netz an Prüf- und Validierungslabors, um zu gewährleisten, dass wir die Anforderungen unserer Kunden erfüllen.