Wie im gesamten Bereich der Fahrzeugelektronik finden auch bei den elektrischen Steckverbindungssystemen derzeit signifikante Veränderungen und Neuentwicklungen statt. Als Antwort auf die Megatrends in Bezug auf Reduzierung des CO2-Ausstoßes, Erhöhung der Sicherheit und Car-to-Car-Connectivity werden bewährte Produktdesigns weiterentwickelt, um die Messlatte in puncto Leistung und Zuverlässigkeit immer höher zu hängen und völlig neue Lösungen in immer kürzeren Abständen zur Serienreife zu bringen. Es sind eine Vielzahl von Faktoren im Spiel, von denen einige auf den gesetzgeberischen Maßnahmen beruhen, und andere von den OEMs vorangetrieben werden, um den immer anspruchsvolleren Bedürfnissen moderner Verbraucher Rechnung tragen zu können.

Aluminium-Kabeltechnologie verringert das Gewicht des Bordnetzes.

Aluminium-Kabeltechnologie verringert das Gewicht des Bordnetzes.Delphi

Die wichtigen Trends mit Einfluss auf die Zukunft der Verbindungstechnik im Automobilbereich sind klar zu erkennen. Insbesondere geht es dabei um das Bestreben, den CO2-Ausstoß zu verringern und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, den Schutz sowohl für Fahrzeuginsassen als auch Fußgänger zu erhöhen und die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Daten zu ermöglichen, die zur Unterstützung fortschrittlicher Infotainment- und Consumer-Elektronik im Fahrzeuginneren erforderlich ist. Neben diesen Punkten bleibt zuletzt der Wunsch der OEMs bestehen, die Kosten weiter zu senken. Außerdem gehören der wachsende Einsatz von Hochspannungsarchitekturen bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, die Miniaturisierung und die Verwendung neuer Materialien zur Reduzierung von Gewicht und Erhöhung der Performance zu den Aufgabenstellungen der Steckverbinderhersteller. Delphi fasst diese Trends unter den drei Schlagwörtern Safe – Green – Connected zusammen.

Elektromechanik für (Über)Morgen

In den Bereichen Hochvolt-Technologie und 48-V-Spannungsschienen sind die Steckverbinder- und Elektromechanik-Hersteller derzeit sehr aktiv, während es gleichzeitig darum geht, das Bordnetz leichter zu machen. Zur Senkung des Gewichts kommen beispielsweise zunehmend dünnere Leiterquerschnitte (0,13 mm² statt 0,35 mm²) zum Einsatz, und auch ein vollautomatisierter Montageprozess sowie Crimp-Verbindungstechniken stehen auf der Agenda. Außerdem heißt es, Lösungen im Bereich Connectivity zu bieten, die hohe Bandbreiten – teilweise bis 5 GBit/s – unterstützen. Außerdem bestimmen Lösungen rund um das drahtlose Laden und NFC die weiteren Entwicklungsaktivitäten.

Elektrifizierung des Antriebsstrangs

Im Hinblick auf die Reduzierung der CO2-Belastung der Umwelt ist der Focus in den letzten Jahren auf die Entwicklung der Elektrifizierung des Antriebsstrangs gerichtet worden. Insbesondere die Einführung von Elektro- und Hybridfahrzeugen im großen Umfang hat zu höheren Spannungen von 400 V bis 750 V und noch darüber hinaus geführt. Dies markiert einen dramatischen Wandel gegenüber den seit langer Zeit etablierten Elektrik-Architekturen für Fahrzeuge mit Benzin- und Dieselmotoren und erfordert ein völlig neues Portfolio an Steckverbindern sowohl für die interne Verkabelung als auch für die Ladefunktionen der Batterie. Angesichts der viel höheren Spannungen und Ströme erhalten die Aspekte Betriebssicherheit trotz der Gefahr eines Stromschlags, die Vermeidung, elektromagnetischer Störungen und die Maßnahmen zur Überwindung des potenziellen Problems von Schäden an Endgeräten durch Lichtbogenbildung eine hohe Priorität. Delphi seinerseits ist seit den frühen Entwicklungsphasen der neuen Generation von Elektro- und Hybridfahrzeugen in diesen Bereich eingebunden. Die enge Zusammenarbeit mit den OEMs hat Steckverbindunglösungen mit neuartigen Merkmalen hervorgebracht, wie etwa High Voltage Interlock (HVIL), finger-/berührungssichere Ausführungen, Entriegelung mit zweistufiger Verzögerung oder Dichtheit gemäß IP67. Ebenso entstanden viele innovative Lösungen für die Ladesteckverbindungen zum Einsatz in Fahrzeugen und Infrastruktur. Die Forderung der Austauschbarkeit hat hier recht schnell zur Festlegung internationaler Standards geführt, die jedoch regionale Varianten beinhalten: GB/T20234, IEC62196 Typ II und SAE JI772 für China, Europa beziehungsweise Nordamerika.

Hochvolt-Steckverbinder RCS 800 für Anwendungen in Elektro- und Hybridfahrzeugen.

Hochvolt-Steckverbinder RCS 800 für Anwendungen in Elektro- und Hybridfahrzeugen.Delphi

In den kommenden Jahren wird es für Anwendungen in Elektro- und Hybridfahrzeugen eine dynamische Weiterentwicklung der Verbindungstechnik geben. Vor allem die Anforderung, die Reichweite und Langlebigkeit der Batterie als kritischstes Element jedes Elektrofahrzeugs weiter zu verbessern, erfordert intelligente Lösungen, die den Montageprozesses und die Zuverlässigkeit optimieren. Diese Thematik ist ein Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten von Delphi.

Die Einführung des 48-V-Bordnetzes

Zwischen den Systemen der Hochvolt-Bordnetze für Hybrid- und Elektrofahrzeuge und dem 12-V-Bordnetz wächst die Notwendigkeit von 48-V- beziehungsweise Zwei-Spannungs-Bordnetzen stark, deren Einführung vor allem von den führenden deutschen OEMs vorangetrieben wird und in der LV 148 festgelegt wurde. Der Nutzen von 48-V-Architekturen ergibt sich hauptsächlich in Anwendungen mit hoher elektrischer Leistungsaufnahme wie zum Beispiel Klimakompressor, Heck- und Frontscheibenheizung sowie bei der elektrischen Lenkung. Außerdem lassen sich mit der 48-V-Spannung die Funktionen der Mild-Hybride realisieren, und mit Start/Stopp-Systemen und Rekuperation ist eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs möglich. Die Vorzüge des 48-V-Konzepts liegen auf der Hand. Während Spannungen oberhalb von 60 V als gefährlich eingestuft werden und Geräte ab diesem Bereich mit einem Berührungsschutz ausgelegt werden müssen, kann beim Einsatz von 48 V darauf verzichtet werden. Die höhere Spannungsebene erlaubt den effizienten Einsatz neuer elektrischer Komponenten und ermöglicht in einigen Bereichen die Reduzierung von Kabelquerschnitten und somit Gewichtsreduzierung. Allerdings erfordert die Umsetzung von 48-V-Architekturen, dass für elektromechanische Komponenten wie Relais und Steckverbinder sowie für Halbleiter Probleme wie Lichtbogenbildung und elektromagnetische Einflüsse gebührend berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang entstehen gerade einige Lösungen, die für 48-V-Anwendungen geeignet sind und ein sicheres Handling sowie zuverlässige Funktion gewährleisten.

Kleiner, leichter, intelligenter

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ist nur eine mögliche Antwort auf die Forderung nach reduziertem CO2-Ausstoß und verbesserter Kraftstoffeffizienz. Aktuell bleiben Elektro- und Hybridfahrzeuge Nischenprodukte, so dass OEMs große Anstrengungen unternehmen, um bessere Kraftstoffverbrauchswerte in Fahrzeugen mit Diesel- und Benzinbetrieb zu erreichen. Folglich liegt auf dem gesamten Fahrzeug-Konstruktionsprozess ein enormer Druck, das Gewicht zu reduzieren. Dabei sind verschiedene Trends zu verzeichnen. So kommen beispielsweise zunehmend dünnere Leiterquerschnitte (0,13 mm² statt 0,35 mm²) zum Einsatz, wodurch sich das Gewicht der Kabelstränge deutlich verringern lässt. Hierzu ist eine breite Palette an Kontaktsystemen mit dem L-Shape-Crimpbereich ausgestattet, so dass sie mit den herkömmlichen Applikatoren zuverlässig verarbeitet werden können. In bestimmten Verkabelungsanwendungen kommt auch zunehmend Aluminium anstelle von Kupfer zum Einsatz, wodurch sich die Masse um bis zu 43 % reduzieren lässt. Wichtige Punkte sind für diese Fälle eine auf das Leitermaterial angepasste Crimp-Geometrie und eine prozessfähige Abdichtung für wasserdichte Schnittstellen.

Blickt man weiter in die Zukunft, so ist der Einsatz von leitfähigem Kunststoff anstelle von Metallen zur Abschirmung elektromagnetischer Störungen möglich. Dieser wird aktiv entwickelt und bietet die Aussicht auf zusätzliche Einsparungen in Bezug auf Gewicht und Kosten. Ein weiterer sich abzeichnender Trend für die künftige Gestaltung von Steckverbindern in Fahrzeugen ist der Wunsch, Teilkabelsätze im vollautomatisierten Montageprozess zu fertigen. Dies ist besonders für dünne Kabelquerschnitte und miniaturisierte Steckverbinder mit 0,5-mm-Kontakten erforderlich, aber gleichzeitig technisch anspruchsvoll in der Umsetzung.

Das Streben nach Gewichts- und Energieeinsparungen verändert zudem die grundlegende Gestaltung von Zentralelektriken, sodass der kontinuierliche Wechsel vom Stanzgitter über die Anwendung von Leiterplatten hin zum Halbleiterkonzept eingeleitet ist. Aus dem Ersetzen herkömmlicher Relais und Schalter durch Halbleiter werden OEMs Vorteile ziehen, die unter anderem Energie- und Platzeinsparungen, höhere Flexibilität in der Auslegung des Bordnetzes, und verbesserte Funktionalität umfassen.

Sicherheit an erster Stelle

90-Grad-Steckverbinder AK-2 für Schnittstellen in Airbagmodulen und Rückhaltesystemen.

90-Grad-Steckverbinder AK-2 für Schnittstellen in Airbagmodulen und Rückhaltesystemen.Delphi

Die Entwicklungen zu umweltfreundlicheren, leichteren Fahrzeugen forciert weitere Verbesserungen der Sicherheit die zum einen durch neue Vorschriften und zum anderen durch die notwendige weitere Reduzierung der Unfallopfer erforderlich werden. Hierbei geht es nicht nur um die Fahrzeuginsassen und Airbags, sondern auch um aktive Crash-Vermeidung, sowie Fußgänger und Radfahrerschutz. Delphi gilt als Weltmarktführer für Steckverbinder von Sicherheits-Rückhaltesystemen (SRS), und der Airbag wird zweifellos noch eine ganz Weile von zentraler Bedeutung für Fahrzeugsicherheitsstrategien bleiben. Sehr gut ausgestattete Modelle in Europa stoßen eindeutig an ihre Grenze, was die Anzahl der Airbags pro Fahrzeug angeht, doch es gibt noch Potenziale für weitere Einsatzbereiche wie Knieairbags und Fußgängerschutzsysteme. In den meisten Entwicklungsländern steht die Ausstattung mit Airbags noch ziemlich am Anfang, und die gesetzlichen Regelungen, wie zum Beispiel in Brasilien und Indien, verändern das Bild in Zukunft und führen auch hier bei den lokalen Herstellern zur Einführung der Airbag Systeme.

Delphi hat durch die Entwicklung von AK-2 eine Schnittstelle geschaffen, die in Europa und Nordamerika mittlerweile Standard ist. Mit dem Hauptaugenmerk auf eine weitere Reduzierung der Gesamtkosten werden bei den nächsten Produktgenerationen die berührungssichere Konstruktion und die zuverlässigen Eigenschaften des AK-2 erhalten bleiben, jedoch das Systemdesign so optimiert sein, dass es für die neuste Inflator-Technologie zum Einsatz kommen kann. Es wird auch ein variables Gehäusekonzept aufweisen, mit dem sich verschiedene Verbindungs- beziehungsweise Verriegelungsmechanismen konfigurieren lassen.

Connectivity: IT-Netzwerke auf 4 Rädern

USB-Port-Leitung mit High-Speed-Steckverbindern.

USB-Port-Leitung mit High-Speed-Steckverbindern.Delphi

Der Trend zur Fahrzeugvernetzung und die Einführung von Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungssystemen im Fahrzeuginneren haben in der Verbindungstechnik einen geradezu dramatischen Wandel ausgelöst. Infotainmentsysteme und Consumer-Elektronik setzten sich im Auto immer mehr durch und werden zunehmend auch mit den Fahrzeugen kommunizieren. Dementsprechend kommen immer mehr Hochgeschwindigkeits-Koaxialkabel und -technologien für Ethernet-, USB- und HDMI-Anwendungen zum Einsatz.

Mini-HSDD ist eine weitere interessante Option, die eine Hochleistungs-E/A-Lösung in kleiner Baugröße für Anwendungen von bis zu 5 GBit/s bietet. Es besteht auch ein wachsendes Interesse, die Schnittstellen in einem Modul mit mehreren Eingängen, der Datenkonvertierung an einen einzigen Ausgang (zum Beispiel LVDS oder Ethernet) sowie eine Lademöglichkeit in einem Gerät zu integrieren.

Drahtloses Laden

Drahtloses Laden von mobilen Consumer-Endgeräten wie beispielsweise Smartphones.

Drahtloses Laden von mobilen Consumer-Endgeräten wie beispielsweise Smartphones.Delphi

Die fortschreitende Verwendung von Smartphones auch im Fahrzeug verstärkt den Ruf der Verbraucher nach einer bequemen Nutzung der Consumer-Elektronik im Auto. Die Verbindungstechnik kann zum Beispiel mit kabellosen Ladelösungen aufwarten und so das unpraktische Hantieren mit Ladekabeln im Fahrgastraum überflüssig machen. Dabei stehen zwei Technologien im Mittelpunkt, von denen das induktive Laden (Qi) wohl schon kurzfristig realisiert wird. Sie ermöglichen das kabellose Laden von Mobiltelefonen über eine kurze Distanz. Blickt man weiter in die Zukunft, verspricht die Magnetresonanztechnologie (A4WP) das Laden über größere Entfernungen im Innenraum sowie die Fähigkeit, auch größere Geräte wie iPads mit Strom zu versorgen. Diese Entwicklungen werden auf die unterschiedlichen Anforderungen und Konzepte der OEMs abgestimmt, um auch die Belange der Datensicherheit zu berücksichtigen. Hierzu zählen die Integration von Antennenkopplern zur Verbesserung des Telefonempfangs sowie die Möglichkeit der drahtlosen Kommunikation per NFC (Near Field Communication) in Mobiltelefonen, damit der Fahrer mit dem Komfortsystemen innerhalb des Fahrzeugs kommunizieren kann – beispielsweise zur Übernahme persönlicher Einstellungen wie der Position des Sitzes, des Spiegels oder des Lenkrads.

Die Megatrends „Safe, Green and Connected“ haben signifikante Auswirkungen auf die zukünftigen Fahrzeugkomponenten – und zwar auch die elektrische Verbindungstechnik im Automobil, die weiterhin als zuverlässige Schnittstelle zwischen Bordnetz, Elektronik und Komponenten für das einwandfreie Funktionieren ihren Beitrag zu leisten haben. Zum Erreichen der Ziele ist der offene Austausch zwischen OEMs und ihren Zulieferern von großer Bedeutung.