48 Volt gewinnt im Fahrzeug an Bedeutung, weil mit steigender elektrischer Leistung auch Strom, Kabelquerschnitte, Gewicht und Kosten zum Thema werden. Gleichzeitig gehen OEMs bei der Umsetzung unterschiedliche Wege. Welche Rolle wird 48 Volt in den Fahrzeugarchitekturen der nächsten Generation tatsächlich spielen? Und entwickelt sich daraus ein dauerhaft relevanter Markt – oder bleibt 48 Volt letztlich eine Übergangslösung? Karsten Müller, Product Management Director bei TE Connectivity, und Dr. Hendrik Kolbe, Produktmanager bei TE Connectivity, geben im Interview Antworten auf diese Fragen und erläutern, welche Strategien die Automobilhersteller derzeit verfolgen.
AEEmobility: Lassen Sie uns zunächst auf die Marktentwicklung schauen: Wie hat sich der Markt für 48-Volt-Steckverbinder in den vergangenen Jahren entwickelt, und welche Fahrzeugsegmente treiben dieses Wachstum aus Ihrer Sicht maßgeblich?
Karsten Müller: Die Branche steht derzeit unter zunehmenden Kostendruck, unter anderem aufgrund steigender Rohstoffpreise. Gleichzeitig gewinnt das Thema Gewichtsreduzierung im Fahrzeug wieder an Bedeutung. Während bei konventionellen Fahrzeugen vor allem die Reduzierung von CO₂-Emissionen im Vordergrund steht, geht es bei Elektrofahrzeugen insbesondere um eine höhere Reichweite. Das Fahrzeuggewicht ist damit erneut ein wichtiger Entwicklungsfaktor, nachdem es in den vergangenen Jahren gegenüber anderen Trends etwas an Bedeutung verloren hatte.
Der wichtigste Treiber für 48-Volt-Systeme ist die steigende elektrische Leistungsaufnahme moderner Fahrzeuge. Werden leistungsstarke Verbraucher weiterhin mit niedriger Spannung versorgt, steigen die Ströme und damit auch Kabelquerschnitte, Gewicht und Kosten. Welche Bordnetz-Lösung sich durchsetzt, ist allerdings noch offen: Einige Hersteller von Elektrofahrzeugen wollen eine zusätzliche 48-Volt-Ebene möglichst vermeiden und leistungsintensive Verbraucher direkt aus dem Hochvoltsystem versorgen. Dafür sind beispielsweise zonale Subsysteme oder lokal integrierte Spannungswandler erforderlich. Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor können dagegen größere Leitungsquerschnitte ausreichen oder eine zusätzliche 48-Volt-Ebene sinnvoll sein. Daneben gibt es Ansätze, das 12-Volt-Bordnetz langfristig vollständig durch 48 Volt zu ersetzen. Derzeit sprechen jedoch unter anderem die Verfügbarkeit und Skalierung geeigneter Elektronikkomponenten gegen einen schnellen Wechsel. Entsprechend entstehen unterschiedliche Architekturen mit zwei oder drei Spannungsebenen, etwa 12, 48 und Hochvolt. Eine klare Zuordnung zu bestimmten Fahrzeugsegmenten oder Antriebsarten ist deshalb derzeit kaum möglich. Entscheidend sind vielmehr die jeweilige Fahrzeugarchitektur, die Leistungsanforderungen und die strategische Ausrichtung der Hersteller.
Hendrik Kolbe: Aus meiner Sicht gibt es nicht die eine Lösung nach dem Motto: Wir gehen jetzt auf 48 Volt, und damit sind alle Probleme gelöst. 48 Volt ist vielmehr ein zusätzliches Werkzeug, mit dem man auf die Herausforderungen reagieren kann, die durch die steigende elektrische Leistung im Fahrzeug entstehen. Und dadurch, dass immer mehr Funktionen dazukommen und teilweise auch Redundanzen notwendig werden, steigt der Leistungsbedarf ja weiter. Die Frage ist dann eigentlich: Wie führe ich 48 Volt ein? Nehme ich zunächst gezielt die Verbraucher mit der höchsten Leistungsaufnahme und ziehe die auf 48 Volt, um dort das Stromniveau herunterzubekommen? Oder integriere ich 48 Volt direkt in eine neue Fahrzeugarchitektur, zum Beispiel im Zusammenhang mit einer zonalen Architektur, und führe die Leistung entsprechend bis zu den zonalen Verteilern?
Das sind schon sehr unterschiedliche Ansätze. Und damit stellt sich natürlich auch die Frage: Denke ich die Architektur komplett neu und definiere auch die Schnittstellen neu? Oder kann ich zunächst mit bestehenden Lösungen arbeiten, die beispielsweise bereits für 48 Volt beziehungsweise Spannungen bis 60 Volt geeignet sind? Deshalb gibt es aus meiner Sicht auch nicht die eine Strategie. Jeder Hersteller muss für sich entscheiden, was am besten passt: Was ist die schnellste Lösung, was ist die einfachste, was ist wirtschaftlich sinnvoll oder wo will ich gleich einen größeren architektonischen Schritt machen?
Sehen Sie regionale Unterschiede bei der Entwicklung? Agieren beispielsweise chinesische Hersteller anders als europäische?
Karsten Müller: Ich würde da gar nicht mehr so stark nach Regionen unterscheiden. Früher hat man den Automobilmarkt sehr klar in Asien, Europa und Amerika aufgeteilt. Heute würde ich eher sagen, dass sich der Markt über die Geschwindigkeit der Veränderung segmentiert: Wir haben Hersteller mit sehr viel Historie und gewachsenen Organisationsstrukturen. Für diese Unternehmen ist es natürlich schwieriger, disruptive Veränderungen wie 48 Volt schnell umzusetzen, weil bestehende Prozesse, Architekturen und Lieferketten mitgedacht werden müssen. Dann gibt es aber auch Hersteller, die ebenfalls eine lange Historie haben, es aber schaffen, ihre bestehende Organisation relativ konsequent an einer zentralen technologischen Vision auszurichten. Die können Veränderungen entsprechend schneller vorantreiben. Und auf der anderen Seite haben wir die sogenannten Greenfield-Anbieter. Die bringen deutlich weniger gewachsene Strukturen mit und können deshalb mit sehr kurzen Innovationszyklen arbeiten. Die haben diese „Burden of Legacy“ einfach nicht in dem Maße auf den Schultern. Deshalb würde ich heute weniger sagen: China macht es anders als Europa. Ich würde eher sagen: Entscheidend ist, wie schnell ein Unternehmen seine Organisation, seine Fahrzeugarchitektur und letztlich auch seine Supply Chain auf neue technologische Anforderungen ausrichten kann.
48 bis 60 Volt liegen zwar noch unterhalb der Hochvoltgrenze, stellen aber höhere Anforderungen an Steckverbinder. Können Sie dafür auf Ihr bestehendes Portfolio zurückgreifen oder sind dafür Neuentwicklungen erforderlich?
Karsten Müller: Ich würde da eigentlich zwei Themen unterscheiden. Das eine sind mögliche Steckvorgänge unter Spannung bzw. Last, die vor dem Hintergrund der Zuverlässigkeit als Systemfragestellung mit geeigneten Maßnahmen gemanaged werden. Das andere ist die Frage, was die für die Verwendung bei 48V relevanten und zielführenden Anforderungen an einen Steckverbinder sind.
Hendrik hat das schon kurz angesprochen: Es gibt hier nicht die eine Lösung. Wir haben zum Beispiel Fahrzeughersteller, mit denen wir darüber sprechen und die sagen: Wir haben ein großes Steckverbinderportfolio, das sich über Jahrzehnte bewährt hat. Können wir diese bestehenden Steckverbinder nicht einfach auch für 48 oder sogar 60 Volt einsetzen? Und tatsächlich sind viele unserer bestehenden Steckverbinder dazu grundsätzlich in der Lage. Das heißt, man muss nicht zwangsläufig für 48 Volt ein komplett neues Steckverbinderportfolio entwickeln. In vielen Fällen lassen sich bestehende 12-Volt-Steckverbinder entsprechend hochskalieren. Die entscheidende Frage ist dann: Welche konkreten Anforderungen stellt die jeweilige Anwendung an den Steckverbinder und wo beginnt tatsächlich der Punkt, an dem ich konstruktiv neue Lösungen brauche?
Hendrik Kolbe: Ich glaube, das ist genau der Punkt bei den Anforderungen an 48 Volt. Ich würde da zunächst zwischen den Minimalanforderungen und zusätzlichen Anforderungen des jeweiligen Fahrzeugherstellers unterscheiden. Bei den Minimalanforderungen geht es beispielsweise um die bekannten Luft- und Kriechstrecken nach IEC 60664-1. Das sind für uns als Steckverbinderhersteller grundlegende Auslegungskriterien. Wenn diese Abstände – beispielsweise bei einzeladerabgedichteten Systemen – eingehalten werden, kann ein solches Stecksystem grundsätzlich auch für 48 Volt beziehungsweise bis 60 Volt eingesetzt werden.
Darüber hinaus können natürlich zusätzliche Anforderungen des Automobilherstellers kommen. Das kann beispielsweise eine bestimmte farbliche Kennzeichnung sein, eine zusätzliche Verrastung oder andere spezifische Anforderungen an das Stecksystem. Wenn wir aber zunächst nur die für die Auslegung relevanten Luft- und Kriechstrecken betrachten, stellt man fest: Viele bestehende Steckverbindersysteme müssen für 48 bis 60 Volt gar nicht grundsätzlich neu entwickelt oder skaliert werden. Sie können aufgrund ihrer bisherigen Auslegung bereits in diesem Spannungsbereich eingesetzt werden.
Hochbelastbare, abgedichtete 48-Volt-Steckverbinder für anspruchsvolle Einsatzbedingungen. (© TE Connectivity)
Welche Anforderungen ergeben sich für die thermische Auslegung? Können dafür beispielsweise die bestehenden 12-Volt-Steckverbinder weiterhin eingesetzt werden?
Hendrik Kolbe: Bei einer gegebenen Leistung sinkt mit dem Wechsel von 12 auf 48 Volt zunächst einmal der erforderliche Strom. Für die Steckverbinder bedeutet das: Es gibt nicht grundsätzlich die Vorgabe, dass bei 48 Volt höhere Ströme übertragen werden müssen. Maßgeblich ist vielmehr die thermische Grenze des jeweiligen Kontaktsystems. Eine bestehende Steckverbinderlösung, die beispielsweise bei 12 Volt für einen maximalen Strom von 15 Ampere ausgelegt ist, kann bei 48 Volt entsprechend deutlich mehr elektrische Leistung übertragen. Insofern lässt sich nicht pauschal sagen, dass für 48-Volt-Anwendungen grundsätzlich neue Steckverbinder erforderlich sind. Interessant wird es bei den zusätzlichen Anforderungen, die Kunden an höhere Spannungsebenen stellen. Diese sind sehr unterschiedlich. So gibt es beispielsweise den Wunsch nach einer geschlossenen Kammer bis in den hinteren Bereich des Steckverbinders, insbesondere bei Kontakten, die höhere Ströme führen. Solche Anforderungen lassen sich vielfach auch durch Anpassungen bestehender Steckersysteme umsetzen. Dabei sollte man allerdings zwischen Sicherheit und Robustheit unterscheiden. Nicht jede zusätzliche Anforderung ist automatisch eine Sicherheitsanforderung. Ein Beispiel ist die Abdichtung einzelner Kammern. Aus der Tatsache, dass ein System mit 48 Volt betrieben wird, folgt nicht grundsätzlich, dass es vollständig abgedichtet sein muss.
Zunächst sind die technischen Mindestanforderungen zu betrachten, beispielsweise Luft- und Kriechstrecken. Anschließend muss die konkrete Einbausituation analysiert werden: Welche Kontaminationen können auftreten? Welche Fehlerfälle sind realistisch? Und welche Auswirkungen haben Feuchtigkeit oder andere Medien auf das System? Bei höheren Spannungen können bestimmte physikalische oder chemische Vorgänge zwar beschleunigt werden. Das bedeutet aber nicht, dass mit dem Wechsel von 12 auf 48 Volt automatisch zahlreiche neue kritische Fehlerphänomene entstehen. Entscheidend ist vielmehr die konkrete Applikation und die Frage, welche Anforderungen tatsächlich technisch erforderlich sind. Genau diese Diskussion führen wir derzeit mit den Marktteilnehmern. 48 Volt ist zwar aus Mildhybrid-Anwendungen bereits bekannt, dort allerdings in einem vergleichsweise spezifischen Einsatzfeld. Jetzt geht es darum, dieses Spannungsniveau auf eine wesentlich größere Bandbreite von Applikationen zu übertragen.
Und wie sieht es beim Bauraum aus?
Hendrik Kolbe: Das Thema Bauraum sehe ich in dem Zusammenhang eigentlich nicht als großes Problem. Ich würde 48 Volt eher als eine zusätzliche Lösung im Werkzeugkasten sehen. Wenn ich Anwendungen habe, bei denen ich heute große Kontakte und entsprechend große Steckverbinder brauche, kann ich durch den Wechsel auf 48 Volt bei gleicher oder ähnlicher Leistungsklasse das System kleiner auslegen. Das kann also sogar zu einer Bauraumoptimierung und höheren Integration führen. Interessant wird das auch beim Thema Steckkräfte. Wenn ich heute einen großen Steckverbinder an einem leistungsstarken Aggregat habe, muss ich unter Umständen schon über einen Hebel oder eine andere Unterstützung nachdenken. Wenn ich durch 48 Volt die Ströme und damit die erforderlichen Kontaktquerschnitte reduzieren kann, lässt sich möglicherweise aus zwei Steckverbindern eine integrierte Lösung machen – und das sogar ohne zusätzlichen Hebel. Damit kann ich das System am Ende nicht nur elektrisch, sondern auch mechanisch kompakter gestalten.
Und bei gemischten Spannungsniveaus, also bei der Koexistenz von 12 und 48 Volt in einem Steckverbinder?
Das ist tatsächlich ein interessanter Punkt und wird auch aktuell diskutiert: Kann und soll man zwei Spannungsniveaus in einem Steckverbinder integrieren? Technisch ist das grundsätzlich möglich. Dann sind wir wieder bei den Mindestanforderungen, etwa bei Luft- und Kriechstrecken. Dazu kommen Detailfragen, beispielsweise bei der Masseführung. Wenn 12 und 48 Volt teilweise getrennte Massen haben, muss man überlegen, ob bestimmte Abstände eingehalten werden müssen oder ob zusätzliche Maßnahmen gegen Störeinflüsse notwendig sind. Das hängt letztlich vom konkreten Konzept ab. Auch aus Sicht der PFMEA stellt sich die Frage, welche Kontakte man bewusst voneinander trennt und welche man kombinieren kann. Aber wichtig ist: Nur weil 12 und 48 Volt im gleichen Bordnetz koexistieren, bedeutet das nicht automatisch, dass dafür unterschiedliche Steckverbinder erforderlich sind. Eine Integration beider Spannungsebenen in einem Stecksystem ist technisch durchaus möglich.
Sehen Sie Potenzial für eine stärkere Standardisierung von Steckverbindern?
Karsten Müller: Wenn wir uns die Veränderungen bei den Fahrzeugarchitekturen und die unterschiedlichen Spannungsniveaus anschauen, stellt sich natürlich auch die Frage: Wie sieht das Steckverbinderportfolio der nächsten Fahrzeuggenerationen aus? Kann man hier stärker über Standardisierung sprechen? Oder zumindest über bestimmte Steckverbindertypen und Schnittstellen, die sich für unterschiedliche Aggregatarten einsetzen lassen? „Standardisierung“ ist in der Automobilbranche natürlich ein großes Wort. Aber man kann zumindest über eine Konzeption und Modularisierung von Schnittstellen nachdenken. Genau in diese Richtung gehen auch die Gespräche, die wir aktuell mit einigen OEMs führen: Wie lassen sich Schnittstellen künftig stärker generalisieren und modular aufbauen, sodass sie über verschiedene Anwendungen und Aggregate hinweg eingesetzt werden können?
TE Connectivity legt seine 48-Volt-Steckverbinder auf die erforderlichen Luft- und Kriechstrecken aus. Dabei berücksichtigt das Unternehmen unter anderem Verschmutzungsgrad, Materialgruppe, Nennspannung und Einbauhöhe. Viele bestehende Stecksysteme mit Einzeldrahtabdichtung erfüllen die Anforderungen bereits konstruktionsbedingt, da die Dichtung zusätzliche Abstände zwischen den Kontakten schafft.
Für die Auslegung nutzt TE Connectivity zudem ein eigenes Berechnungstool. Reichen die vorhandenen Abstände in bestimmten Anwendungen nicht aus, kann beispielsweise eine selektive Bestückung der Kontaktkammern eingesetzt werden, um die erforderlichen Abstände zwischen den Kontakten zu vergrößern. Damit lassen sich bestehende Steckverbinderlösungen gezielt an höhere Spannungsebenen anpassen, ohne zwangsläufig eine komplette Neuentwicklung vornehmen zu müssen.
Wie beurteilen Sie die langfristige Perspektive von 48 Volt? Erwarten Sie, dass sich dieses Spannungsniveau dauerhaft etabliert, oder sehen Sie 48 Volt eher als Übergangslösung auf dem Weg zu einer höheren Niedervoltarchitektur?
Karsten Müller: Ich glaube nicht, dass sich langfristig noch ein deutlich höheres Niedervolt-Niveau durchsetzen wird. 48 Volt liegt aus meiner Sicht in einem gewissen Sweet Spot zwischen der benötigten Leistung und der Spannungsklasse, insbesondere mit Blick auf die Sicherheitsanforderungen. Gleichzeitig halte ich es für sinnvoll, neben dem etablierten 12-Volt-System ein 48-Volt-Niveau zu etablieren. Ein weiteres, noch höheres Niedervolt-System halte ich deshalb eher für unwahrscheinlich. Ob sich 48 Volt tatsächlich langfristig durchsetzt, ist allerdings noch offen. Das hängt unter anderem davon ab, wie kostengünstig sich kleinere Verbraucher in Elektrofahrzeugen künftig direkt an das Hochvoltsystem anbinden lassen. Wenn dafür leistungsfähige und günstige Leistungselektronik zur Verfügung steht, könnte die Bedeutung einer zusätzlichen 48-Volt-Ebene wieder abnehmen.
Auf der anderen Seite stellt sich die Frage, wie schnell der Wechsel von 12 auf 48 Volt tatsächlich erfolgt. Meine Einschätzung wäre deshalb: 12 Volt und 48 Volt werden beide parallel längerfristig relevant bleiben.
Hendrik Kolbe: Aus meiner Sicht liegt 48 Volt bereits sehr nah am Sweet Spot für die effiziente und kostengünstige Energieverteilung im Niedervoltbereich. Wenn man die 60-Volt-Grenze betrachtet, bleibt darüber nur wenig Spielraum, bevor deutlich komplexere und kostenintensivere Lösungen erforderlich werden. Mit 48 Volt und den zulässigen Spannungsspitzen bewegt man sich bereits nahe an diesem Bereich. Ein noch höheres Niedervolt-Niveau erscheint daher wenig sinnvoll. Eine Koexistenz von 12 und 48 Volt wird es aber auf jeden Fall geben. Schließlich führt man 48 Volt nicht ein, um einfach ein neues Spannungsniveau zu schaffen, sondern um konkrete technische Probleme zu lösen, insbesondere bei höheren Leistungsanforderungen. Deshalb wird es auch keinen vollständigen und schnellen Wechsel von 12 auf 48 Volt geben. Vielmehr werden Anwendungen gezielt dort auf 48 Volt umgestellt, wo dies technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, während bestehende 12-Volt-Anwendungen weiterlaufen.
Liegt der aktuelle Engpass bei der Verbreitung von 48-Volt-Systemen aus Ihrer Sicht eher noch bei den Halbleiter- und Leistungselektronikherstellern?
Karsten Müller: Ich würde das eher als eine klassische Henne-Ei-Situation sehen. Wenn die Fahrzeugindustrie ein klares Commitment abgibt, dass 48 Volt in bestimmten Anwendungen und Aggregaten künftig eine größere Rolle spielen wird, wird die Leistungselektronikindustrie entsprechend nachziehen. Denn dann sind auch die notwendigen Stückzahlen und damit die Skaleneffekte absehbar. Umgekehrt gilt aber genauso: Wenn die Halbleiter- und Leistungselektronikhersteller entsprechende Lösungen frühzeitig in größeren Stückzahlen anbieten und damit die technischen und wirtschaftlichen Voraussetzungen schaffen, wird auch die Fahrzeugindustrie darauf reagieren. Deshalb würde ich nicht sagen, dass der Engpass eindeutig auf der einen oder anderen Seite liegt. Es ist vielmehr ein iterativer Prozess, bei dem sich beide Seiten gegenseitig beeinflussen. Entscheidend ist letztlich, wann genügend Volumen zusammenkommt, damit sich die entsprechenden Skaleneffekte bei der Leistungselektronik einstellen.
Wie groß schätzen Sie vor diesem Hintergrund das Marktpotenzial für 48-Volt-Systeme und entsprechende Komponenten ein?
Karsten Müller: Da stellt sich natürlich zunächst die Frage, was man überhaupt in diesen Markt einrechnet. Geht es nur um die reine Konnektivität oder zählen wir beispielsweise auch die Kabel und weitere Komponenten dazu? Vor allem kommt noch die zeitliche Dimension hinzu. Wir sind gerade alle gemeinsam auf dieser Reise. Mir geht es deshalb gar nicht darum, hier eine konkrete Marktzahl zu nennen. Entscheidend ist vielmehr, dass die aktuellen Szenarien sehr weit auseinanderliegen.
Jeder Fahrzeughersteller und auch die verschiedenen Marktteilnehmer befinden sich gerade in unterschiedlichen Entwicklungsphasen. Noch ist nicht absehbar, wie lange die Übergangs- und Überlappungsphase zwischen den verschiedenen Spannungsebenen dauern wird und ob sich am Ende überhaupt eine einheitliche Architektur durchsetzt. Deshalb ist momentan noch sehr viel offen, sowohl hinsichtlich der langfristigen Architektur als auch bei der Dauer der Übergangsphase. Klar ist aber: Wir sprechen über einen relevanten Anteil der Steckkontakte im Power-Bereich. Wenn ein großer Teil dieser Anwendungen auf 48 Volt umgestellt wird, entsteht daraus ein signifikanter Markt. Wenn sich dagegen bestimmte Entwicklungen überschneiden oder Anwendungen direkt auf andere Spannungsebenen wechseln, fällt das Potenzial entsprechend kleiner aus. Die Bandbreite der möglichen Marktszenarien ist derzeit deshalb noch sehr groß.
Vielen Dank für das Gespräch!
Das Interview führte Klaus Oertel, Herausgeber und Chefredakteur AEEmobility
