Hochvolt-Steckverbinder im Automobil

Häufig von Teilnehmenden gestellte Fragen zum Thema ‚Hochvolt-Steckverbinder im Automobil‘

Wie haben sich die Anforderungen an Steckverbinder im Kontext der Elektrifizierung und des verstärkten Einsatzes von Elektronik im Automobilbereich, insbesondere bei Elektrofahrzeugen, verändert?

Stecker in modernen Fahrzeugen haben hohe Ansprüche an die Funktion und die Zuverlässigkeit zu erfüllen. Durch die immer leistungsstärker werdende Elektronik können neue Funktionen wie das assistierte oder automatische Fahren ermöglicht werden. Die Übertragungssicherheit von Energie und Daten, um diese Funktionen zu jeder Zeit zu gewährleisten, sind ein Beispiel für die gestiegenen Anforderungen an die Steckverbinder. Weiterhin sind immer kleinere Bauformen für eine bessere funktionale Integration gefragt.

Welche spezifischen Herausforderungen müssen bei der Konstruktion und Entwicklung von Steckverbindern für Elektrofahrzeuge berücksichtigt werden, insbesondere in Bezug auf Hochvoltanwendungen?

Die elektrische Betriebssicherheit stand von der ersten Stunde der Entwicklung elektrischer Antriebe im Mittelpunkt. Um diese sicherzustellen, sind elektrotechnische Normen zu berücksichtigen, die zum Beispiel zu deutlich größeren Luft- und Kriechstrecken zwischen spannungsführenden Teilen verglichen mit dem klassischen 12V Bordnetz führen. Eine weitere Herausforderung sind die hohen Betriebstemperaturen der Hochvoltstecker, die im Schnellladebetrieb entstehen können. Geeignete Materialien und Konstruktionen zum Ableiten der Wärmeenergie sind hier zu berücksichtigen.

Inwiefern unterscheiden sich die Anforderungen an Steckverbinder für die Batterie- und Ladetechnologie von Elektrofahrzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Steckverbindern für Verbrennungsmotoren?

Während Steckverbinder in Verbrenner-Architekturen zumeist nur Signale und relativ geringe Energien übertragen müssen, sind Steckverbindungen im elektrischen Fahrzeug um ein Vielfaches in Strom und Spannung höher belastet. Das führt zu wesentlich größeren Kontakten und Gehäusen die produziert und montiert werden müssen. Weiterhin sind für die elektromagnetische Störfestigkeit von Elektronik im und ums Fahrzeug herum Maßnahmen wie die Schirmung vom Hochvoltbordnetz erforderlich. Diese Abschirmung von Störenergien funktioniert nur über die Lebensdauer zuverlässig, wenn alle an der Schirmung beteiligten Teile dauerhaft niederohmig verbunden sind.

Welche Rolle spielen Steckverbinder bei der Integration von Elektroantrieben und Elektroniksystemen in moderne Fahrzeuge?

Steckerverbindungen sind immer dann von Vorteil, wenn durch ihren Einsatz größere Funktionseinheiten partitioniert und gesondert montiert werden können, bzw. wenn die Servicefähigkeit und ein Austausch von Aggregaten gefordert ist. Stecken ist ein hochreproduzierbarerer und schneller Produktionsschritt und wird daher häufig dem Schrauben bevorzugt.

Wie tragen Steckverbinder zur Gewichtsreduzierung und Effizienzsteigerung von Elektrofahrzeugen bei?

Steckverbinder können zum Beispiel an Stellen eingesetzt werden, wo Schraubwerkzeuge keinen Zugang haben, wodurch platz- und materialsparende Gerätegehäuse konstruiert werden können, deren elektrische Verbindung durch den Einsatz von Steckverbinder effizient hergestellt werden kann.

Welche Fortschritte wurden in Bezug auf die thermische Belastbarkeit und die Sicherheit von Hochvolt-Steckverbindern für Elektrofahrzeuge erzielt?

Durch die immer schnelleren Ladevorgänge, die einen wichtigen Kundennutzen darstellen, werden die zu übertragenen Leistungen in kürzerer Zeit übertragen. Diese Energieübertragung kann nur weiter optimiert werden, wenn gleichzeitig sichergestellt ist, dass die physikalisch bedingte Verlustwärme schnell und sicher aus dem Steckerverbinder in die Umgebung abgeleitet wird. Um hier an die technischen Grenzen gehen zu können, ist eine sehr genaue Kenntnis des Wärmeflusses notwendig. Neue Simulationsmethoden und der Einsatz integrierter Thermo-Sensorik ermöglichen die sichere dynamische Ausnutzung der Übertragungsreserven der Steckverbinder und der angeschlossenen Leitungen.

Welche Rolle spielen standardisierte Steckverbinder bei der Entwicklung einer interoperablen Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge?

Ohne eine standardisierte, interoperable Ladeinfrastruktur wäre die Elektromobilität nicht skalierbar. Somit sind die an die Netzbedingungen und Ladearten angepassten standardisierten Ladevorrichtungen in den Weltregionen eine Grundvoraussetzung für den Erfolg der Elektrifizierung des Transportwesens.

Mit Blick auf die zunehmende Vernetzung und das autonome Fahren: Welche Anforderungen ergeben sich für Steckverbinder, um eine reibungslose und zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten?

Automatisiertes Fahren, digitale Medien und immer mehr Komfortfunktionen im Fahrzeug treiben die Bandbreite in der Datenübertragung massiv in die Höhe. Der Einzug von Konsumelektronik im Fahrzeug bringt auch deren dort etablierte Datenübertragungstechnologien ins Vehikel. Somit gelten hier ähnliche Anforderungen wie in der Elektromobilität: eine immer zunehmende Performance in immer kleinerem Bauraum abzubilden.

Welche Technologien und Materialien kommen bei der Entwicklung von Hochvolt-Steckverbindern im Automobilbereich zum Einsatz?

In der breiten Anzahl von Anwendungen kommen häufig Kupfer und Aluminium und auch Legierungen und ein breites Spektrum von Kunststoffen zum Einsatz. Deren genaue Kenntnis als Konstruktionsmaterial (speziell beim Aluminium) ist bei der im Automobil vorherrschenden Umgebung ein wesentlicher Erfolgsfaktor im Entwicklungsprozess. Moderne 3D Design- und Simulationstools kommen hier ebenso zum Einsatz, wie bildgebende Mess- und Analysegeräte, die die qualitätsgerechte Auslegung der Steckverbindungen durch die Rückmeldung von Messdaten in die CAD- Systeme ermöglicht.

Wie können Automobilhersteller sicherstellen, dass die Steckverbinder im Fahrzeug auch unter extremen Umweltbedingungen zuverlässig funktionieren?

Ein anforderungsgenaues Design und eine umfangreiche Testung im Labor stellt die Freigabe von in Hochqualität gefertigten Steckverbindungen für den Einsatz in teils extremen Einsatzumgebungen sicher. Dazu bedarf es seitens des Kunden einer exakten Erfassung und Simulation der Umweltbedingungen, genauer Last- und Temperaturkollektive, sowie Daten für den Schock- und Vibrationseintrag, die nicht aus der „Verbrennerwelt“ ungeprüft übernommen werden.

Welche Tests und Zertifizierungen sind erforderlich, um die Qualität und Sicherheit von Steckverbindern im KFZ und Elektrofahrzeug zu gewährleisten?

Die Liste der erforderlichen Tests ist sehr lang. Teilweise werden Tests auch in einer sehr anspruchsvollen Belastungssequenz durchgeführt, an deren Ende dann der Nachweis erbracht ist, dass selbst eine Anreihung oder Überlagerung von sehr ungewöhnlich hohen Belastungen zu keinem Funktionsausfall führen. Neben elektrischen und mechanischen Tests werden auch Umweltbelastungstests und Brennbarkeitsprüfungen durchgeführt.

Welche Rolle spielt die Rückverfolgbarkeit von Steckverbindern im Rahmen der Qualitätssicherung und der Nachverfolgung von Produktionsfehlern?

Die Rückverfolgbarkeit von Bauteilen in der Elektromobilität spielt eine große Rolle. So werden innerhalb der Batterie die Anzugsmomente und die Endwinkel der Schraubvorrichtung mit einem auf dem Verbinder gedruckten QR-Code verknüpft und diese Daten als Q-Dokumentation gespeichert.

Gibt es innovative Ansätze oder Entwicklungen in der Steckverbinder-Technologie, die das Potenzial haben, die Elektromobilität und die Fahrzeugtechnik insgesamt zu revolutionieren?

Um ein Beispiel zu nennen: Neben neuen Oberflächen und deren selektiver Auftrag werden immer mehr durch Automaten verwendbare Steckverbinder entwickelt, die gepaart mit neuen Logistikverfahren zu einer wesentlich schnelleren und im Vergleich zu manueller Arbeit nahezu fehlerfreien und kostenreduzierter Montage führen.

Welche langfristigen Trends sehen Sie in Bezug auf die Entwicklung und den Einsatz von Steckverbindern im Automobilbereich und wie werden diese die Branche beeinflussen?

Im vorherigen Punkt wurde bereits auf den Einsatz von automatisiert hergestellten Leitungssätzen hingewiesen. Der Ersatz biegeschlaffer Leitungen durch starre Strukturleiter wird dem Trend der Automatisierung der Fahrzeugherstellung Vorschub leisten. Im Signal- und Datenbereich wird durch Architekturänderung der Einsatz von flexiblen Strukturleitern wie FFC oder FPC weg vom kundenspezifischen Kabelbaum hin zu standardisierten Verdrahtungssegmenten führen können.

Welche Empfehlungen würden Sie Herstellern und Entwicklern von Steckverbindern geben, um die Anforderungen der Elektromobilität und der Fahrzeugtechnik auch in Zukunft optimal zu erfüllen?

In erster Linie geht es um das möglichst genaue Verständnis der Anforderungen an die Steckverbindung im konkreten Einsatzfall und deren Überleitung in die Produktspezifikation. Unter Berücksichtigung der kontaktphysikalischen Grundlagen und dem Einsatz moderner Simulationswerkzeuge ist der Weg in die Richtung eines digitalen Zwillings eines Steckverbinders möglich. Dieser ermöglicht dem Kunden eine frühe Überprüfung der Systemeigenschaften, bevor die erste Hardware entsteht und reduziert somit die Markteinführungszeit und reduziert gleichzeitig die Entwicklungskosten. Beides wichtige Kundenvorteile im hochdynamischen Entwicklungsumfeld der Elektromobilität.