Elektromobilität So finden Sie den richtigen Steckverbinder für den EV-Antriebsstrang

Von Giorgio Potenza *

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Steckverbinder im Automotive-Bereich sind klein und robust trotz hoher Kontaktdichte. Sie sind für hohe Datenraten ausgelegt und bieten eine gute Signalintegrität. Dabei ist die Vielfalt der Produkte groß. Wir geben Ihnen wichtige Auswahlkriterien an die Hand.

Elektroautos: Die Antriebsstränge von Elektroautos benötigen eine leistungsfähige Infrastruktur für eine effiziente und sichere Datenerfassung. Hier spielen Steckverbinder eine wesentliche Rolle.
Elektroautos: Die Antriebsstränge von Elektroautos benötigen eine leistungsfähige Infrastruktur für eine effiziente und sichere Datenerfassung. Hier spielen Steckverbinder eine wesentliche Rolle.
(Bild: Harwin)

Ökologische und wirtschaftliche Bedenken veranlassen immer mehr Autofahrer vom Verbrennungsmotor auf elektrisch betriebene Fahrzeuge (EVs) umzusteigen. Jüngste Zahlen von Bloomberg New Energy Finance unterstreichen dies. Denn der weltweite Absatz von Plug-in-EVs (knapp über 2 Mio. jährlich im Jahr 2019) soll bis zum Jahr 2025 auf 20,6 Mio. ansteigen.

Die traditionellen Automarken und neue Marktteilnehmer werden diesen schnell wachsenden EV-Markt bedienen; alle wollen zwei grundlegenden Ziele erreichen: Sicherheit und Effizienz.

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Sicherheit und Effizienz im Elektroauto

Will man maximale Sicherheit gewährleisten müssen Verletzungsrisiken für die Insassen vermieden werden. Das dient dazu das Fahrzeug und Ruf des Herstellers schützen. Zudem soll die Fahrzeugleistung so effizient wie möglich gestaltet werden, damit Besitzer nicht zu häufig laden müssen und längere Strecken zurücklegen können.

Um beide Ziele zu erreichen, müssen Entwickler komplexe Herausforderungen bewältigen. Für schnellere Ladezeiten sind höhere Spannungen (800 V) erforderlich. Dies erhöht die Komplexität und der Antriebsstrang moderner Elektrofahrzeuge gewinnt an Bedeutung. Die Hersteller müssen daher eine hochentwickelte fahrzeuginterne Vernetzung mit den erforderlichen Überwachungs- und Diagnosefunktionen bereitstellen.

Elektrische Antriebsstränge benötigen eine leistungsfähige Infrastruktur für eine effiziente und sichere Datenerfassung. Dabei werden die verschiedenen Bestandteile des Antriebsstrangs ständig überwacht und jeder Hinweis auf ein Problem wird an das entsprechende elektronische Steuergerät (ECU) gemeldet, das passende Korrekturmaßnahmen einleitet. Wie wir noch sehen werden, bedeuten die Beschränkungen beim Design von Elektrofahrzeugen, dass die Infrastruktur (und die darin verwendeten Komponenten) besondere technische Merkmale aufweisen müssen.

Wesentliche Bestandteile eines EV-Antriebsstrangs

Zu den sechs wichtigsten Systemen, die im Antriebsstrang eines E-Fahrzeugs zu finden sind oder direkt damit zusammenhängen, zählen:

  • Das Onboard-Ladegerät (OBC) ist für das Aufladen der Batterie verantwortlich, indem es die AC-Netzversorgung in eine geeignete DC-Spannung umwandelt.
  • Das Akkupack speichert die geladene Energie und gibt sie für den Betrieb wieder ab.
  • Der Traktions-/Antriebswechselrichter wandelt die DC-Versorgung aus der Batterie in eine AC-Versorgung, um den Elektromotor des Elektrofahrzeugs anzutreiben.
  • Bei der Motorsteuerung detektieren digitale Schaltungen die vom Fahrer auf die Brems- und Gaspedale ausgeübte Kraft auf und setzen sie in Befehle um, die zu einer Änderung des Motordrehmoments führen (um das Fahrzeug zu beschleunigen oder zu verlangsamen).
  • Das Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht verschiedene Parameter innerhalb des Akkupacks, um den reibungslosen Betrieb jeder einzelnen Zelle zu gewähr­leisten.
  • Der DC/DC-Wandler setzt die Batteriespannung herunter, damit diese für andere Funktionen (Beleuchtung, Klimaanlage, Infotainment usw.) verwendet werden kann.

OBC, BMS, Traktionswechselrichter, Motorantrieb und Motorsteuerung müssen kontinuierlich Echtzeitdaten an ihre jeweiligen ECUs senden oder von diesen empfangen. Diese Daten sorgen für eine höhere Effizienz des Antriebsstrangs, eine längere Lebensdauer des Fahrzeugs, mehr Zuverlässigkeit und mehr Sicherheit.

BMS in Elektroautos sind von Daten abhängig

EV-Akkupacks bestehen aus Li-Ionen-Zellen. Ein mögliches Brandrisiko ist hier zu berücksichtigen. Daher ist eine ständige Überwachung der Systeme unerlässlich. Durch Erfassen von Echtzeitdaten aus den Zellen (Temperatur, Spannung und Strom) kennt das BMS den Gesamtzustand des Akkupacks. Es stellt dann sicher, dass die einzelnen Zellen innerhalb ihrer sicheren Betriebsparameter arbeiten.

Durch seine zahlreichen Diagnosefunktionen erkennt das BMS potenzielle Probleme innerhalb einer bestimmten Zelle, die zu einer möglichen Überhitzung führen könnten, und diese Zelle offline nehmen (um einen thermischen Durchbruch – Thermal Runaway – zu vermeiden). Tritt jedoch ein schwerwiegenderes Problem auf, bei dem ein großer Teil des Akkupacks betroffen ist, kann es erforderlich sein, das Fahrzeug vollständig abzuschalten.

Das BMS kann auch den Ausgleich zwischen den Zellen (Cell Balancing) übernehmen. Die Zellen des Akkupacks sind unterschiedlich aufgebaut, wobei einige mehr Ladung aufnehmen können als andere. Cell Balancing bedeutet, dass die Ladung besser über den gesamten Akku verteilt wird, so dass die leistungsschwächeren Zellen länger halten.

Für die anderen Elemente wie OBC, Traktionswechselrichter usw. werden Daten benötigt, damit sie schnell auf veränderte Gegebenheiten im Antriebsstrang reagieren können. Wie das BMS benötigen sie schnelle Verbindungen, die einen deterministischen Betrieb unterstützen.

Wesentliche Anforderungen an die Verbindungstechnik

Beim Einsatz von Steckverbindern im Automotive-Bereich sind mehrere Eigenschaften erforderlich. Erstens ist der Platz begrenzt, so dass die Abmessungen der Steckverbinder diesem Umstand Rechnung tragen und dennoch eine hohe Kontaktdichte bieten müssen.

Gleichzeitig müssen die gewählten Steckverbinder so robust sein, dass sie den harschen Bedingungen im Automotive-Umfeld wie Stößen, Vibrationen und hohen Temperaturen standhalten. Darüber hinaus ist ein vollständiger Schutz gegen das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit erforderlich.

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Entsprechend den Anforderungen moderner Fahrzeugnetzwerke müssen die Steckverbinder auch hohe Datenraten unterstützen und die Signalintegrität gewährleisten (trotz der elektromagnetisch störbehafteten Umgebung, in der diese Steckverbinder zum Einsatz kommen). Empfohlen wird ebenfalls, Mechanismen vorzusehen, um Steckfehler bei der Montage zu vermeiden.

Letztendlich bedingt der zunehmende Wettbewerb unter den Herstellern von Elektrofahrzeugen, dass die verwendeten Steckverbinder preislich konkurrenzfähig sein müssen, um die Gesamtkosten nicht zu stark zu erhöhen.

Kompakte Steckverbinder mit hoher Anschlussdichte

Mehrere Hersteller haben Steckverbinder des Typs Archer Kontrol in die Antriebsstränge ihrer Elektroautos integriert. Die zuverlässigen Board-to-Board-Stecker finden sich in Onboard-Ladegeräten, Motorsteuerungen und Traktionswechselrichtern. Sie bieten Entwicklern im Automotive-Bereich die technischen Eigenschaften, die in der Datenin­frastruktur für EV-Antriebsstränge benötigt werden, und für Einkäufer sind sie preislich gut positioniert.

Darüber hinaus ermöglichen die kleinen Formfaktoren mit einer Kollektion an vertikalen und horizontalen Orientierungen, dass die Steckverbinder mit einem Raster von 1,27 mm auch für den Einsatz auf engem Raum geeignet sind.

Neben einer Temperaturbeständigkeit von 125 °C (um den hohen Temperaturen in Antriebsstrangmodulen standzuhalten) weisen diese Komponenten eine gute Vibrationsfestigkeit auf (Zyklustests bei 10 bis 2.000 Hz; 1,5 mm; 198 m/s² [20 G], für 12 Stunden). Da die Steckverbinder für Datenraten von 3 GBit/s ausgelegt sind, unterstützen sie auch die Ethernet-basierte Datenübertragung im vernetzten Fahrzeug.

Ausführung von Kontakten und Steckverbindern für den EV-Antriebsstrang

Die Kontakte sind als Phosphor-Bronze-Kontakte mit einer Gold-Zinn-Beschichtung ausgeführt und in robuste Kunststoffgehäuse eingebettet, die nach UL94V-0 schwer entflammbar sind.

Die Steckverbinder sind vollständig ummantelt um Beschädigungen zu vermeiden und sind zum Schutz vor Fehlstecken in den Fertigungslinien der Fahrzeughersteller polarisiert. Stapelhöhen von 8 bis 20 mm bieten eine höhere Vielseitigkeit, so dass geeignete Kombinationen gefunden und spezifische Design-/Layout-Anforderungen erfüllt werden können. Darüber hinaus sind handelsübliche Kabelbaugruppen (in Längen von 150 und 300 mm) mit zusätzlichen Verriegelungen zur Zugentlastung erhältlich.

Fazit: Echtzeitdaten zu erfassen und zu übertragen ist für den langfristigen Betrieb von Elektrofahrzeugen entscheidend, da diese Daten zu einem effizienter arbeitenden Antriebsstrang, einer längeren Batterielebensdauer und zu mehr Sicherheit beitragen.

Der englische Steckverbinderspezialist arbeitet eng mit vielen weltweit führenden Herstellern von Elektroautos zusammen und liefert die Steckverbinder, damit der Antriebsstrang die höchstmögliche Leistungsfähigkeit erreicht. Durch die sich ständig weiterentwickelnde Verbindungstechnik und kontinuierliche Verbesserungen wird die nächste Generation von Elektrofahrzeugen noch besser in der Lage sein, die Erwartungen des Marktes zu erfüllen.

* Giorgio Potenza ist Head of Business Development EMEA bei Harwin in Portsmouth / UK.

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