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Bordnetze
Nachbericht
- Zweite Spannungsebene 48 Volt
- Leichtbau im Kabelsatz: Potenziale begrenzt
- Komplexitätsreduktion und Automatisierung
- Hochvolt – zwischen Standardisierung und schnellem Einsatz
Für die zukünftige Entwicklung des Bordnetzes stellen sich große Herausforderungen: Der weitere Ausbau von Fahrerassistenz-, Komfort- und Infotainmentfunktionen sowie deren wachsende Vernetzung bewirkt eine signifikante Erhöhung des Elektronikanteils im Fahrzeug. Dazu kommen neue Konzepte wie Start-Stopp, Rekuperation oder Hybridtechnologie und Elektroantrieb, die zudem einen Hochvoltbereich bedingen. Neue technische Lösungsansätze sind somit gefordert.
"Hierzu gehören Reduktion von Komplexität, Gewicht und Kosten, Verringerung von Variantenvielfalt, Erhöhung der Automatisierung, aber auch die Etablierung neuer Spannungsebenen für zusätzliche Funktionen. Dies erfordert zielgerichtetes Zusammenführen von Partnern über alle Stufen der Wertschöpfung-OEMs, System- und Komponentenlieferanten, Kabelsatz und Verbindungstechnik, Fertigungsmaschinen und Entwicklungsdienstleistung, aber auch neue Technologiekompetenzen, z.B. aus dem Werkstoffsektor, der Übertragungstechnik oder der Hochspannungselektrik." so Prof. Dr. Nassauer in seiner thematischen Einführung.
Mit 320 Teilnehmer und 18 Aussteller aus dem gesamten Bundesgebiet und sieben Ländern ist auf dem 14. Kooperationsforum Bordnetze am 30.11.2011 in München wieder eine herausragende Zusammensetzung gelungen, die zahlreiche Impule für zukünftige Entwicklungen gesetzt hat.
Die nachfolgenden Ausführungen sind wie folgt gegliedert:
- Trends im Energiebordnetz – die neue Spannungsebene 48 Volt
- Leichtbau: Potenziale im gesamten Bordnetz; neue Kommunikationstechniken im und um die Fahrzeuginfrastruktur
- Kabelsatz und Steckkontakt im Kontext der Automatisierung
- Hochvolt-Bordnetz (Kabel, Kabelsatz und Komponenten)
Trends im Energiebordnetz – die neue Spannungsebene 48 Volt: Konzepte, Konsequenzen, Anwendungen
Im Sommer 2011 verkündeten die E/E-Leiter der 5 großen deutschen OEMs, dass das etablierte 12-V-Bordnetz für zukünftige Fahrzeuge um ein zweites Bordnetz in der Spannungsebene 48 V erweitert werden soll. Damit können in Zukunft auch Hochstromverbraucher besser in die Fahrzeuge integriert werden.
Minimierung von Gewicht und Bauraum von Aktuatoren sowie Optimierung von Rekuperation und Klimatisierung sind das erklärte Ziel. Ottmar Sirch, Projektleiter Vorentwicklung Energiebordnetz, BMW Group, präsentierte die Aufgaben und die Grenzen des heutigen 12 V Energiebordnetzes, dessen verfügbare Energie ausgereizt ist. Durch Verbesserung der Energieeffizienz bestehender Systeme können noch neue Funktionen integriert werden, doch die Zunahme des Elektrifizierungsgrades sowie die Auswirkungen neuer Fahrzeugkonzepte erfordern eine neue Betrachtung der Leistungsklassen und Spannungsbereiche. So kann über die neue Spannungsebene die Rekuperationsleistung erhöht, ein eBoost realisiert sowie die Start-Stopp-Funktion erweitert werden. Alle Zulieferer sind hier aufgefordert, sich aktiv in die Entwicklung mit einzubringen.
Leichtbau: Potenziale im gesamten Bordnetz; neue Kommunikationstechniken im und um die Fahrzeuginfrastruktur
Gewichtsreduzierungen im Bordnetz können um so einfacher realisiert werden, je früher im Rahmen der Bordnetz-Architektur-Entwicklung an den entsprechenden Stellgrößen Anpassungen vorgenommen werden, so Oliver Druhm, Senior Professional Bordnetzentwicklung, Dräxlmaier Group. Optimierung der Leitungslängen und Leitungsdimensionierung sowie der Einsatz von Aluminium und Cu-Legierungen im Kabelsatz sind solche Stellgrößen. Durch entsprechende Partitionierung der einzelnen Kabelsatz-Module entsprechend der System-Topologie sowie Wahl von Werkstoffen und Komponenten können weitere Potenziale gehoben werden. Auch hier sind die Rahmenbedingungen: Kosten, CO2-Reduktion, technisch sinnhafte Realisierbarkeit und Prozess-Sicherheit. So kann für kleine Leitungsquerschnitte die Verlustleitung so groß werden, dass zu deren Kompensation die CO2-Bilanz wieder ungünstig wird. Entscheidende Grundlage zur Potenzialermittlung ist eine Gesamtsystembetrachtung, die auch das Energiemanagement berücksichtigt.
Louis Chretien, R&D Manager von Leoni Wiring Systems in Frankreich, beleuchtete das Thema kleine Querschnitte und alternative Materialien im Detail. Ziel ist die Gewichtsreduktion im Kabelsatz und damit eine Emissions-Reduktion des Fahrzeuges. Der Weg dahin führt zuerst über eine Reduzierung der Dimensionierung der Kabel mit Simulation des thermischen und elektrischen Verhaltens sowie mit Messungen im Fahrzeug. Weiteres Potenzial zur Gewichtsreduzierung bieten Kabelquerschnitte <0,35mm2 unter Verwendung von Cu-Legierungen sowie der Einsatz von Aluminium für Querschnitte >1mm2. Damit einher gehen ebenfalls neue Anforderungen an den Verarbeitungsprozess: Automatisierung, Kontaktierungs-Validierung und Crimp–Überwachung sind maßgeblicher Untersuchungsgegenstand für 0,16 und 0,19 mm2 Kabel. Neue Verbindungstechniken und Korrosionsbeständigkeit sind die Herausforderungen für Aluminium-Kabel.
Neben den Leichtbau-Themen sind aber neue Technologien zur Datenübertragung bzw. alternative Kommunikationstechniken in der Diskussion, durch die Leitungen ganz entfallen können. Power over Data PoD und Power Line Communication PLC sind hier die Schlagworte die von Prof. Thomas Eibert, TU München und Dr. Helmut Kellermann, BMW Group, ausführlich erörtert wurden. PoD ermöglicht die Spannungsversorgung über die Datenleitung z.B. für Videokameras, PLC eignet sich für niedrige Datenraten wie für Komfortfunktionen. Weitere Optionen bietet die interne Wireless Kommunikation, wobei hier darauf zu achten ist, dass die Signalstärke außerhalb des Fahrzeuges möglichst gering ist. Dadurch kann eine Störung von anderen Fahrzeugen bei gleichzeitig verwendeten Frequenzbändern vermieden werden. Alle diese Technologien sind aber für die Automobil-Anwendung noch im Forschungsstadium.
Kabelsatz und Steckkontakt im Kontext der Automatisierung
Die gravierendsten Herausforderungen im Bordnetz-Design sind neben der Gewichtsreduzierung am Kabelsatz insbesondere die Automatisierung der Bordnetz-Fertigung. Neben der Neuaufteilung von automatisiert zu fertigenden Kabelsatz-Teilmodulen ist auch die Komplexitätsbeherrschung eine bedeutende Stellschraube. Durch sie kann auf kurzfristige Änderungen im Kabelsatz flexibel und schnell reagiert werden. Woher kommt die Komplexität im Bordnetz und wie kann man sie reduzieren? Goetz Roderer, Director Central Engineering von S-Y Systems Technologies Europe erläuterte verschiedene Ansätze unter den Randbedingungen der Variantenvielfalt, der Komplexität und der Fertigung/Fertigungstechnik. Durch das Thema der Variantenreduktion, das auch in einem Arbeitskreis von Bayern Innovativ bearbeitet wird, kann „Puffer für Innovationen“ geschaffen werden, z.B. für neue Leitungstechnik oder neue Stecksysteme. Da für einen kundenspezifischen Kabelsatz (d.h. Losgröße 1) aus einem Baukasten von über 1000 Teilen ein individueller Kabelsatz von ca. 800 Teilen zusammengestellt wird, müssen für dieses komplexe System Lösungen für eine höhere Effizienz in der Fertigung gefunden werden. Als zielführender Ansatz hat sich die Aufteilung nach Blockloading-Einheiten erwiesen. Hier werden 1:1 Strukturen, Gabeln- und Ketten-Strukturen softwaregestützt und über Design-Rules analysiert und in fertigungsautomatisierungsgerechte Module überführt. Es kann sich hier auch als zielführend erweisen, dass durch den Einbau unbenutzter Leitungen die Variation der Kabelsatz-Module erniedrigt und somit die Anzahl der Gleichteile auf Modulebene erhöht wird. Die Mehrkosten an Leitungen müssen aber niedriger bleiben als die Einsparungen im Fertigungsprozess. Zu Identifikation dieser Potenziale wurde ein spezielles Tool entwickelt. Als weitere Lösungsstrategie bleibt die Systemoptimierung auf höherer Systemebene, die alle Elemente des Bordnetzes umfasst.
Zur automatisierten Konfektion von Kabelsätzen gehören auch die Konzeption von automotive tauglichen Steckverbinder-Systemen sowie deren prozesstechnisch vollautomatische Verarbeitung. Dr. Thomas Ginsberg von Tyco Electronics AMP zeigte dies exemplarisch an Verbindungstechnologien für schnelle Datenübertragung im Kfz. Am Beispiel eines koaxialen Infotainmentsteckers erklärte er die Entwicklungskette von der marktgerechten Produktdefinition für ein automotive-taugliches Steckverbindersystem, des Designs hinsichtlich der (Signal-)Spezifikationen und der Prozessanforderung in der Assemblage. Die Entwicklung erfolgte in Anlehnung an Consumer Produkte und erfolgte in frühzeitiger Abstimmung mit den Kunden (OEM, Tier 1, Chiphersteller) unter Berücksichtigung der Fahrzeug-EE-Architektur.
Hochvolt-Bordnetz (Kabel, Kabelsatz und Komponenten)
Der Hochvolt-Bereich für Hybrid- und Elektroantrieb stellt in Zukunft erhöhte Anforderungen an das automobile Bordnetz und dessen E/E-Architektur.
Nachdem man Leitungssätze für den Hochvoltbereich auf den Markt gebracht hat, die alle sicherheitsrelevanten Aspekte erfüllen, erfolgt nun im nächsten Schritt die Prozess- und Kostenoptimierung. Man kennt die entscheidenden parametrischen Stellschrauben, an denen man ohne Qualitätsverlust am Design der Kabel arbeiten kann. So werden über empirisch-experimentelle Ansätze die Design Parameter iterativ variiert und die Auswirkung auf mechanische Flexibilität und die Prozesskosten quantifiziert. Hierdurch kann eine wesentliche Optimierung zwischen Kundenanforderung und Kosten erreicht werden. Jean-Michel Marchisio von Acome, Frankreich stellte hierzu ein effizientes Verfahren vor, mit dem Prozesskosten und Kabeldesign bei Einhaltung der Kundenanforderung optimiert werden können. Über eine gezielte Auswahl der Anfangsparameter wie Material und Abmessungen werden die Kosten des „Prototypen-Fertigungsprozesses“ über einen mehrdimensionalen Parameterbereich grob abgesteckt. Die gewonnenen Daten sind die Grundlage für eine zweite Variation des Parametersatzes mit der bereits das Kostenoptimum erreicht wird.
Claudius Grüner von Nexans autoelectric ging auf die Prozesskette in der Hochvolt-Kabelsatz-Konfektion ein: diskutiert wurden die elektrische Auslegung der Leitungen sowie der HV-Absicherung. Generell sind Sicherheitsanforderungen wie Interlock-Funktion im Service-Fall, Berührschutz aber auch farbliche Kennzeichnung einzuhalten. Speziell die Kontaktierung von Schirm und Steckkontakt ist eine große Herausforderung an die Prozesssicherheit, da hier manuelle Arbeiten an Geflecht oder Folienschirm Schirm nötig sind. Dies ist entscheidend für eine gute EMV-Abschirmung weshalb die Konfektionäre hier die gesamte Systemverantwortung anstreben und nicht auf vorkonfektionierte Komponenten zurückgreifen wollen. Auch die Endprüfung mit mehreren kV Spannung erfordert die Einführung neuer sicherer Testmethoden.
Die Hochvolttechnologie für elektrische Antriebe ist nicht nur im Bereich des Kabelsatzes Grundlagenforschung – auch der Einsatz von neuen Komponenten und der Verbindungstechnik bringt neue Herausforderungen mit sich: so will man frühzeitig einen verbindlichen Standard definieren, andererseits ist eine schnelle Lösung für den Einsatz in aktuelle Projekte unbedingt erforderlich. Richard Espertshuber, ODU Automotive stellte den aktuellen Stand dar: Für Ströme >200A mit Leitungsdurchmessern >60mm2 gibt es bislang keine definierten/standardisierten Stecker – hier wurde bislang verschraubt. Für niedrigere Ströme wurde von den fünf deutschen OEMs ein Modulbaukasten LV215-1 definiert, der 2013 als Standard freigegeben werden soll. Dieser ist Grundlage für aktuell anstehende Entwicklungen. Auch in Punkto HV-Ladestecker scheint eine Einigung auf einen gemeinsamen Standard in Sicht. Für die HV-Bordnetz-Elektrik sehen 4 der 5 deutschen OEMs bis zum Jahr 2013 den erstmaligen Einsatz von „Standard-Steckverbindern“. Je nach OEM- Strategie sollen zwischen den Jahren 2013 und 2020 50% der HV-Schnittstellen mit diesen Standards ausgestattet sein. Ein Design-Wettbewerb in 2012 auf Basis der bisher vorgegebenen Standard-Schnittstellen soll den Wettbewerb an dieser Stelle forcieren.
Alle Beiträge machten deutlich, dass dem Bordnetz der Zukunft tiefgreifende Veränderungen bevorstehen. Die Trends sind klar gesetzt und das Rennen um Standards, Fertigungsmethodik und –Prozess im Hochvolt-Bereich hat begonnen. Diese Dynamik der Entwicklungen läßt bereits heute ein spannendes Forum „Bordnetze 2012“ erwarten.
Ansprechpartner:
Dr. Andreas Böhm Dr. Rupert Tkotz
Das nächste Kooperationsforum „Bordnetze“ findet am 22. November 2012 in Ingolstadt statt.
