Engineering-Leistung und Datenarchitekturen in Elektrofahrzeugtechnologien

Oft wird gesagt, dass bei der Mobilität der nächsten Generation – das Angebot sichererer, umweltfreundlicherer, vernetzterer Verkehrsmittel wird durch Fahrzeuge charakterisiert sein, die mit zwei Arten von Kraftstoff betrieben werden: Elektrizität und Daten. Doch während Sicherheit, Komfort und der Wunsch nach allgegenwärtiger Konnektivität die Zahl datenabhängiger Cloud-/Sensor-basierter Anwendungen innerhalb von Fahrzeugen unaufhörlich in die Höhe treiben, sind viele Verbraucher trotz ihrer Umweltbedenken weiterhin zögerlich, wenn es darum geht, die Technologie der Elektromobilität vollständig zu nutzen.

Reichweite und Ladekomfort stellen für viele potenzielle Elektrofahrzeugbesitzer die größte Sorge dar. – in Bezug auf die Ladezeit und die Verfügbarkeit von Ladestationen. In dieser Hinsicht spielen Konnektivität und die Steckverbinderkomponenten von der Ladesteckdose über die EV-Batterie bis hin zum Elektromotor eine entscheidende Rolle im Hinblick auf ein sicheres und zuverlässiges Schnellladen für die zusätzliche Reichweite, die dazu beitragen würde, die Bedenken der Verbraucher zu zerstreuen.

Heute kann das Laden eines Fahrzeugs an den Gleichstrom-Schnellladestationen (DC), die normalerweise an Autobahntankstellen zu finden sind, je nach Ladeleistung und Batteriekapazität bis zu einer Stunde dauern, um rund 300 km Reichweite hinzuzufügen. Das Ziel der Branche ist es jedoch, die gleiche Verlängerung der Reichweite in etwa 10 Minuten zu erzielen, was mit der Dauer eines Tankstopps für ein Fahrzeug mit internem Verbrennungsmotor vergleichbar wäre.

Eine solche Hochleistungsladung kann eine DC-Ladeleistung von 350 kW bei Strömen von bis zu 500 Ampere erfordern, was den höchsten Lastzustand für das gesamte elektrische System in einem EV darstellt. Selbst eine starke Beschleunigung, wenn der Fahrer hohe Leistung verlangt, führt nicht zum gleichen Ausmaß an durchschnittlichem Stromverbrauch.

Dieses Maß an fortlaufender Stromstärke verursacht aufgrund des inhärenten elektrischen Widerstands sämtlicher Komponenten (Steckverbinder, Kabel) innerhalb des EV-Antriebsstrangs einen hohen Wärmeverlust. Dieses Phänomen wird noch verstärkt, wenn das Fahrzeug steht und die natürliche konvektive Kühlung wegfällt.

Um eine Überlastung/Überhitzung zu vermeiden, stellen daher eine passive oder aktive Wärmeableitung oder die Möglichkeit einer kontrollierten Entladung des Ladestroms wesentliche Anforderungen an die Konstruktion und Dimensionierung aller elektrisch leitfähigen Komponenten dar. Das bedeutet, dass das gesamte elektrische System und die Verbindung zwischen Ladestation und Fahrzeugbatterie mechanisch, elektrisch und thermisch entwickelt und dimensioniert sein müssen.

Eine große Herausforderung besteht darin, dass mit zunehmender Stromlast auch der Kabelquerschnitt entsprechend größer sein muss, damit das Kabel die Leistung auf gleichem Spannungsniveau transportieren kann, ohne zu überhitzen. Innerhalb des Fahrzeugs ist dies in erster Linie eine Frage des Gewichts und der verfügbaren Fläche.

So gibt es z. B. in Bezug auf Kosten, Gewicht und Masse einen erheblichen Unterschied bei der Frage, ob ein Leiter mit einem Querschnitt von 50 mm2 oder einem Querschnitt von 95 mm2 zwischen Einlass und Batterie ausreichen wird. Wenn Hochleistungsladung ein realistischer Vorschlag sein soll, muss die Überdimensionierung des Kabels und aller anderen elektrischen Komponenten vermieden werden.

Bisher spiegelt die Konstruktion der Elektronikbauteile weder die sich dynamisch verändernden Stromlastprofile zwischen Hochs und Tiefs während des Fahrens noch die Anforderungen der Hochleistungsladung wider.

Bestehende Normen basieren auf statischen Lastpunkten, die ursprünglich für die Konstruktion von Relais und (Schalter-)Sicherungen verwendet wurden. Diese werden durch statistische Methoden bestimmt, die die Häufigkeit, mit der sie auftreten, und ihre Bedeutung wiedergeben. Dies führt zu Stromlastwerten, die statische Bedingungen repräsentieren. Die entsprechende Bauweise der elektrischen Verbindungskomponenten entspricht jedoch nicht der Realität: Oft enthält sie Sicherheitsmargen von bis zu ca. 20 Prozent.

Um eine Spitzenbelastung von 350 kW Ladeleistung und darüber hinaus zu ermöglichen, ist bei der Konstruktion der elektrischen Komponenten ein anderer Ansatz erforderlich. Bei TE entwickeln wir eine neue Methodik, die den durch die Komponenten und die Wärmeverlustleistung im System verursachten Temperaturanstieg jederzeit dynamisch bestimmt.

Auf der Basis systemischer und nahezu wirklichkeitsgetreuer thermischer Simulationen gelingt es, das Design der Komponenten schon zu einem früheren Zeitpunkt zu prüfen und seine Leistung in unterschiedlichen Betriebsmodi für die gesamte Lebensdauer vorauszusagen. Dies ermöglicht einen sicheren, langfristigen Betrieb sowie ein Design, das für mehr Bedienerfreundlichkeit sorgt. Die modellbasierte thermische Simulation bietet eine überprüfbare Basis für zukünftige Lastprofile, die einen Nachweis für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit aller Verbindungskomponenten entlang des Hochspannungs-/Hochstrompfads ermöglichen.

So wie der interne Verbrennungsmotor (ICE, Internal Combustion Engine) als Herzstück des traditionellen Kraftfahrzeugs galt, gilt die Batterie als Herzstück von Elektrofahrzeugen und es gelten viele der gleichen Herausforderungen an ihr Design.

Bei sämtlichen Betriebsarten des Fahrzeugs muss die Stromversorgung sicher in die Batterie ein- und ausfließen. Daher muss die Hauptbatterieverbindung – und in bestimmten Fällen die Verbindung zwischen Zellmodulen – in der Lage sein, während eines Hochleistungsladezyklus mehrere Minuten lang Ströme von bis zu 600 Ampere und während starker Beschleunigung noch deutlich höhere Spitzenwerte zu transportieren.

Batteriemodulverbindungen bilden auch die Bitübertragungsschicht für Batterieschutz (Abschaltung bei Überhitzung), Batteriemanagement (Ladezustände (SOC)) und Zellausgleich (Ladespannungsausgleich zwischen Zellen mit unterschiedlichem SOC-Level). Um diese Vorgänge zu sichern, muss jedes einzelne Batteriemodul über ausfallsichere elektrische Verbindungen verfügen.

Dies erfordert hochintegrierte Kontaktsysteme, die nicht nur über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg (z.B. 300.000 km / 10 Jahre) die volle Funktionalität unterstützen müssen, sondern auch robust genug sind, um zu verhindern, dass Vibrationen und Temperaturbelastungen die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Kontakte beeinträchtigen. Darüber hinaus müssen Kontakte auch vollständig berührungssicher sein, um potenzielle Hochspannungs- und Hochstromrisiken zu beseitigen und die Sicherheit gegenüber Herstellern und Servicepersonal zu gewährleisten.

Ein primäres Konstruktionsziel des BCON+ Modulsteckverbindersystems von TE bestand beispielsweise darin, konstante Ströme von 400 Ampere (mit kurzen Spitzen von bis zu 1.200 Ampere) und Spannungen von bis zu 1.000 V zu verarbeiten und bei typischen Batterieumgebungstemperaturen von -40° C bis +80° C zuverlässig zu funktionieren. Die größte Herausforderung bestand darin, den Durchgangswiderstand an jedem Kontaktpunkt zu minimieren, um möglichst geringe Leistungsverluste und Wärmebelastung zu gewährleisten sowie eine lebenslange Zuverlässigkeit durch hohe Vibrationsbeständigkeit nach globalen OEM-Spezifikationen zu erreichen.

Ein Batteriemanagementsystem ist das elektronische System, das die Lade- und Entladevorgänge der Zellen im Inneren der Batterieeinheit verwaltet. Es schützt die Batterie vor einem Betrieb außerhalb ihrer sicheren Grenzen, indem Temperatur- und Spannungssignale aus den Zellmodulen sowie Stromsignale auf Bündelebene überwacht und an die Elemente übertragen werden, die die Zellmodulumgebung ausgleichen oder steuern.

Das Batteriemanagementsystem ist entscheidend für die optimale Leistung und Sicherheit der Batterie, was bedeutet, dass es mit einem hohen Maß an Genauigkeit und Zuverlässigkeit arbeiten und sehr robust konstruiert sein muss. Es muss jedoch auch kompakt und leicht sein und die geringstmögliche Masse zur gesamten Geometrie der Batterieeinheit hinzufügen.

Konnektivität ist ebenfalls eine entscheidende Voraussetzung des Batteriemanagements. Sie ist erforderlich, um Signale an den Battery Management Controller (BMC) zu übertragen, wo sie verarbeitet und an die Cell Management Controller (CMC) gesendet werden, um die Zellen auszugleichen und einen kontrollierten Stromfluss zu ermöglichen, z. B. während des Ladevorgangs.

BMS-Elektronik erfordert sehr kompakte und dennoch flexible Steckverbindersysteme. Da das Verhältnis zwischen Batteriezellen und Zellsteuerungen je nach Batteriedesignanforderungen wie Kapazitäts- und Fahrzeugenergiebedarf variiert, müssen Steckverbindersysteme flexibel genug sein, um mehrere Permutationen von Steckverbinderkonfigurationen zu unterstützen. Steckverbinder sollten auch die Flexibilität haben, verschiedene Kabeltypen zu unterstützen, einschließlich flexibler Flachkabel (FFC) und flexibler Flachbandkabel (FPC), die eine Kabelführung um kompakte und komplexe Batteriegeometrien herum erlauben.

Darüber hinaus benötigt das Steckverbindersystem einen sicheren „Kriechweg“ und Abstand zwischen den Stiften, um sicherzustellen, dass kein Ausfallrisiko durch Kurzschlüsse besteht, die durch Staubverschmutzung oder Lichtbogenbildung auftreten können. Da Batteriemodule als versiegelte Komponenten geliefert werden, müssen die Hersteller sicher sein, dass alle internen Steckverbinder die strengen Spezifikationen hinsichtlich Robustheit und Zuverlässigkeit in Automobilqualität erfüllen.

Wissenswertes über Verbindungslösungen für die Fahrzeuge der nächsten Generation.  Die physischen Strom- und Datennetzwerkschichten bestehend aus Kabel und Steckverbinder spielen eine zentrale Rolle als „Rückgrat” sichererer, umweltfreundlicherer, vernetzter Fahrzeuge der nächsten Generation, die man als Verbraucher besitzen, fahren oder in denen man mitfahren möchte.

Das bedeutet, dass Niederspannungs-Netzwerkverbindungen und Hochvoltantriebssysteme in zunehmend integrierten zentralisierten („intelligenten”) Architekturen parallel, ultrazuverlässig und sicher funktionieren müssen.

Verbindungs-, Switching- und Sensortechnologien werden die Schlüsselfaktoren der Innovationen sein, die dies Wirklichkeit werden lassen. Mit unserem umfassenden Portfolio modernster Technologien und unserer langjährigen Expertise in diesen Bereichen befinden wir uns in Idealposition, um gemeinsam mit Unternehmen der Automobiltechnologiebranche die Konnektivitätslösungen für die Fahrzeuge der nächsten Generation zu entwickeln.