Autonomes Fahren, zonale E/E-Strukturen und die Elektrifizierung des Antriebs verändern die Architektur des Automobils tiefgreifend. Der Kabelbaum wandelt sich vom reinen Energieverteiler zu einer komplexen Dateninfrastruktur, und die Verbindungstechnik übernimmt dabei eine Schlüsselrolle für Leistungsfähigkeit und Architektur moderner Fahrzeuge. Im Gespräch mit AEEmobility beleuchten drei Experten von TE Connectivity (TE), wo derzeit die Herausforderungen liegen und wie das Unternehmen diesen Wandel technisch begleitet: Günther Mumper (Senior Director Global Engineering), Karsten Müller (Manager Business Development) und Luís Puras (Director Global Product Management E-mobility).
Luis Puras, Director Product Management E-Mobility bei TE Connectivity, formuliert es klar: Bei der Entwicklung elektromechanischer Hochvoltkomponenten wirken derzeit vor allem technologische und wirtschaftliche Kräfte. Im Zentrum stehen zwei Aspekte – Kosten und Performance. „Alle neuen Plattformen müssen kostengünstiger werden, sei es das einzelne Produkt oder das gesamte System beim OEM“, sagt Puras. Gleichzeitig wachsen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit deutlich, besonders bei Lade- und Batteriesystemen: Höhere Ströme, schnellere Ladezeiten und steigende Spannungen treiben viele Komponenten zunehmend an ihre physikalischen Grenzen. Besonders sichtbar wird dies bei Hochvolt-Steckverbindern, Relais und Ladeinlets. Hier steigen die Anforderungen rapide. Bei DC-Inlets etwa arbeiten OEMs bereits mit Spezifikationen von 1000 Volt und Strömen bis zu 1000 Ampere. „Das bringt unsere Komponenten an die physikalischen Limits“, sagt Puras. Auch Kurzschlussströme entwickeln sich massiv nach oben: Während aktuelle Plattformen mit rund 14 kA arbeiten, liegen Anforderungen kommender Fahrzeuggenerationen bereits bei 22 bis 24 kA. Die Bauteile dürften dennoch weder größer noch teurer werden. „Wir müssen diese höhere Performance in identischem Bauraum realisieren“, fasst Puras zusammen.
Parallel wachsen die Anforderungen an funktionale Sicherheit, EMV und Automatisierung in der Fertigung. Safety-Funktionen wie High-Voltage-Interlocks oder voll geschirmte Schnittstellen seien heute unverzichtbar. Die steigenden Stückzahlen verstärkten zudem den Druck, Designs stärker auf automatisierte Prozesse auszurichten.
Auch bei Ladeinlets bleibt das Ziel klar: geringere Ladezeiten durch minimierte Übergangswiderstände und präzise Temperaturüberwachung. „Das gesamte System muss so wenig Widerstand wie möglich bieten, jedes Milliohm zählt“, erklärt Puras. Bei Zellverbindungen und Modulverbindern rückt dagegen der Bauraum in den Fokus. Aluminium gewinnt dabei an Bedeutung, bringt jedoch neue verbindungstechnische Herausforderungen mit sich. Trotz aller technischen Herausforderungen bleibt Puras optimistisch: Das Unternehmen setze bewusst auf Plattformstrategien statt rein kundenspezifischer Lösungen, um effizient und wettbewerbsfähig zu bleiben. „Es ist heute schwer vorherzusagen, welcher OEM sich im Markt durchsetzt. Eine modulare Plattformstrategie gibt uns die notwendige Flexibilität“, so Puras.
Luís Puras, Director Global Product Management E-mobility: „Auch bei Ladeinlets bleibt das Ziel unverändert: kürzere Ladezeiten durch möglichst geringe Übergangswiderstände und eine exakte Temperaturüberwachung. Das gesamte System muss so ausgelegt sein, dass jedes unnötige Milliohm vermieden wird.“ (© TE Connectivity)
Das E-Mobility-Portfolio von TE Connectivity deckt nahezu das komplette Hochvolt-System vom Batteriepack bis zum Ladeanschluss ab. Die Produktpalette reicht von Batterie- und Modulverbindern über Inverter- und Motorinterfaces bis zu Hochvolt-Relais. Neue Steckerfamilien sind auf Ladeleistungen jenseits der 500 A ausgelegt und unterstützen Schnellladezyklen von 500 km Reichweite in unter zehn Minuten. „Die Trends im Hochvoltbereich sind klar“, so Puras „steigende Leistungsdichte, höhere Sicherheitsanforderungen und mehr Fokus auf Nachhaltigkeit.“ TE setzt daher auf gewichtsreduzierte Gehäusematerialien, optimierte Wärmeabfuhr und recyclingfähige Kunststoffe.
Data Connectivity
Neben den Herausforderungen bei der Elektromobilität, treiben Autonomes Fahren, vernetzte Fahrzeuge und eine immer aufwendigere User Experience die Anforderungen an die Verkabelung im Auto rasant nach oben. „Wenn wir einen Blick auf den chinesischen Markt werfen, ist User Experience das wichtigste Entscheidungskriterium beim Kauf eines Neufahrzeuges“, sagt Günther Mumper, bei TE Connectivity Senior Director Global Engineering und CTO Automotive Data Connectivity . In Europa stünden zwar Fahrerassistenzsysteme und Vernetzung stärker im Fokus, aber die Richtung ist auch hier klar: mehr Daten, hochauflösendere Displays, steigende Bandbreite.
Günther Mumper, Senior Director Global Engineering und CTO Automotive Data Connectivity: „Unsere Systeme bilden das Rückgrat zukünftiger Fahrzeugarchitekturen. Ohne stabile, kompakte und skalierbare Verbindungen bleibt das autonome Fahren eine Vision.““ (© TE Connectivity)
Aus dem Trend Autonomes Fahren/Fahrerassistenz leiten sich konkrete Applikationen ab: ADAS-Kameras, 360-Grad-Satellitenkameras, Driver- und In-Cabin-Monitoring, dazu Radar und Lidar. Alle erzeugen hochauflösende Datenströme, die sicher und störungsarm zu zentralen Steuergeräten oder High-Performance-Computern (HPC) übertragen werden müssen. „Wir sprechen heute von 8- und 12- Megapixel-Kameras, das bedeutet höhere Datenraten und anspruchsvollere Steckverbinder“, so Mumper. Moderne Displays im Cockpit fordern bereits Datenraten von 20 bis 30 Gbit/s je nach Auflösung und Bildfrequenz. Zentrale Steuergeräte, sogenannte High Performance Computer (HPCs), bündeln künftig Domänen wie ADAS, Infotainment und Telematik. Ein solcher Rechner kann laut Mumper „bis zu 60 Datenports, aufgeteilt in Koaxialanschlüsse und differenzielle Ports enthalten. Bei der heutigen Datendichte würde für diese komplexen Steuergeräte die gesamte Außenkontur mit Steckverbinder belegt werden. Die Miniaturisierung des Datensteckverbinder bringt hier die notwendige Abhilfe, berichtet Mumper. Für die interne Verbindung der Domains innerhalb HPCs bietet TE Backplane- und Board-to-Board-Lösungen, die modulare Integration auf engem Raum erlauben (Bild 1).
Bild 1: Das GEMnet Steckverbinder-system von TE Connectivity wurde für Multi-Gigabit-Ethernet- und SerDes-Anwendungen entwickelt und unterstützt Datenraten bis zu 56 Gbit/s. (© TE Connectivity)
Auch Hybridsteckverbinder gewinnen bei HPCs an Bedeutung: Sie vereinen Daten-, Signal- und Leistungsübertragung in einem Gehäuse und sparen bis zu 40 Prozent Bauraum. Durch kompaktere Systeme lasse sich die gleiche Funktionalität heute auf deutlich kleinerer Fläche realisieren. Gleichzeitig entstehen Hybridsteckverbinder, die Daten-, Leistungs- und Signalkontakte in einem Gehäuse bündeln und so bis zu 50 Prozent Leiterplattenfläche sparen. TE Serien wie das NET-AX+ Steckverbindersystem oder das Modular Hybrid System(MHS) integrieren bereits Koaxial-, differenzielle und Power-Pins.
Technologisch setzt die Branche weiterhin stark auf Kupfer, sowohl in koaxialen Systemen als auch in differentiellen Twisted-Pair-Lösungen. Miniaturisierte Koax-Steckverbinder ersetzen klassische FAKRA-Schnittstellen, um den knappen Bauraum im Steuergerät besser zu nutzen.
Beim Bordnetz selbst bleibt Kupfer vorerst gesetzt. Automotive Ethernet skaliert im Fahrzeug aktuell bis 25 Gbit/s, darüber sieht Mumper die physikalische Grenze für Datenübertragungen mit normaler Modulation bedingt durch die geforderten Leitungslängen und Topologien. Optische Systeme spielten im Fahrzeug heute eher eine Rolle für Pilotanwendungen oder sehr spezielle Use Cases, etwa für redundante Verbindungen zwischen zwei zentralen Steuergeräten im hochautomatisierten Fahren oder für EMV-kritische Bereiche wie das Batteriemonitoring. „Einen echten Zwang, Kupfer im Fahrzeug durch Optik zu ersetzen, sehen wir derzeit noch nicht“, fasst Mumper zusammen.
Aber die steigenden Datenraten verschärfen die Anforderungen an Fertigung und Qualitätssicherung. Ein Großteil der Datenkabelsätze werde vollautomatisch produziert, betont Mumper: „Bei Strom reicht es, wenn zwei Metallteile sich berühren. Bei Daten brauchen Sie eine genaue Impedanz-abgestimmte, hochpräzise Geometrie der Kontaktierungssysteme.“ Nur so lasse sich die notwendige Signalintegrität über Jahre im Fahrzeug sicherstellen. Zudem engagiert sich TE Connectivity in Gremien wie der Open Alliance und der Automotive SerDes Alliance, um bei der Definition und Einführung von standardisierten Datenprotokolle voranzugehen; desweiteren wird auch die Kompatibilität zu gängigen proprietären Protokollen wie GMSL 3 und FPD-Link sichergestellt.
Elektrifizierung, höhere Autonomiegrade und Software-defined Vehicles verschärfen gleichzeitig die Anforderungen an das Bordnetz. Die zunehmende Elektrifizierung erfordert neue Spannungsebenen und Netzarchitekturen. „Die Branche bewegt sich von klassischen 12-Volt-Netzen zunehmend in Richtung zusätzlicher 48-Volt-Netze“, erklärt Karsten Müller, Manager Business Development bei TE Connectivity. „Das ist notwendig, um den steigenden Leistungsbedarf moderner Aggregate und Elektroniksysteme zu decken.“ Wer ausschließlich bei 12 Volt bleibe, brauche für leistungsintensive Verbraucher hohe Leitungsdurchmesser, so Müller weiter.
Allerdings sei der Übergang komplex: Viele Leistungshalbleiter seien noch für 12 Volt ausgelegt. 48 Volt reduziert Kupfer und Bauraum, der Markthochlauf hängt jedoch stark von der Priorisierung durch die Halbleiterhersteller ab. „Das ist weniger eine technische Grenze als eine Frage der industriellen Priorisierung. Automotive ist im Vergleich zu Serverfarmen ein kleiner Markt bei gleichzeitig sehr hohen Qualifikationsanforderungen“, sagt er. Entsprechend koexistieren derzeit 12-, 48- und Hochvoltnetze, während das Zielbild eines einheitlichen 48-Volt-Niedervoltnetzes noch entsteht.
Karsten Müller, Manager Business Development: „Wir entwickeln nicht nur Komponenten, sondern gestalten die Schnittstellen zwischen Energie, Daten und Funktion – das ist das eigentliche Nervensystem des Fahrzeugs.“ (© TE Connectivity)
Mit der zonalen E/E-Architektur verschiebt sich die Logik der Konnektivität: weniger zentrale, funktionsspezifische Steuergeräte und kürzere Leitungslängen, dafür mehr Intelligenz und Polzahl an den Endpunkten. „Jeder Sensor, jedes Display, jede Leuchte braucht Stromversorgung und Signale“, betont Müller. „Ich betrachte die Entwicklung derzeit von der Sensor- und Aktuatorseite her: Dort entstehen mehr Funktionen, mehr Beleuchtungselemente und mehr Anzeige- und Bediensysteme.“ Zugleich rücken die Steuergeräte näher an diese Komponenten heran, und ihre Anzahl im Fahrzeug sinkt. Dadurch werden zwar insgesamt weniger verschiedene Stecker benötigt, allerdings steigt die Zahl der einzelnen Kontakte pro Stecker, weil am Endgerät mehr Funktionen zusammengeführt werden. Diese zusätzlichen Kontakte setzen sich bis zum Steuergerät fort. „Die Vielfalt der Steckverbinder nimmt ab, während die funktionale Komplexität pro Steckverbinder und die Polzahlen pro Steckverbinder steigen,“ so Müller. Gleichzeitig verlagern sich Funktionen in modulare Subsysteme, etwa kombinierte Radar-Kamera-Module oder smarte Außenspiegel. Damit verschiebt sich auch die Verbindungstechnik von der fahrzeugweiten Verkabelung hin zu In-Device Connectivity (InDeCo), also der internen Verkabelung innerhalb dieser Baugruppen. TE Connectivity reagiert darauf mit einem spezialisierten Lösungsportfolio für die Verbindungstechnik innerhalb der Geräte, ausgelegt auf hohe Packungsdichte und robuste Signal- und Energieübertragung. An den Schnittstellen dieser Module zum Fahrzeug kommen dagegen häufig Mixed- oder Hybrid-Connector-Systeme zum Einsatz. Sie kombinieren Power, Signal und Daten in einem Gehäuse, bleiben dabei jedoch elektromagnetisch sauber getrennt. „Im Fahrzeug ist die EMV-Umgebung anspruchsvoll – separate, geschirmte Leitungen bleiben oft der robusteste Ansatz“, betont Müller.
Für den Einstieg in 48-Volt-Anwendungen sieht Müller sein Unternehmen gut vorbereitet. Ein „großer Teil“ des bestehenden Power-Kontaktportfolios sei bereits 48-Volt-tauglich, nachdem Luft- und Kriechstrecken systematisch bewertet wurden. Ein weiterer Hebel liegt in der Fertigung: Mit einer neuen Steckergeometrie mit Roboter-Greifkragen lassen sich Steckverbinder automatisiert setzen und auf vollständiges Fügen prüfen. Müller ist überzeugt, dass nur Anbieter bestehen werden, „die Technologie- und Produktionsseite zugleich weiterentwickeln“ – vom klassischen Kabelbaum hin zu zonalen, softwaredefinierten Architekturen.
Alle drei Experten sehen die Fertigung als kritischen Erfolgsfaktor. „Heute werden über 90% unserer Datenkabelsätze vollautomatisch produziert“, sagt Mumper. Präzision sei entscheidend, da kleinste Abweichungen Signalqualität und EMV-Verhalten beeinträchtigen. Für die Montage arbeitet TE an roboterfähigen Stecksystemen mit standardisierten Greifgeometrien. Diese ermöglichen automatisiertes Fügen im Fahrzeug und liefern gleichzeitig Kraft- und Positionsdaten zur Qualitätssicherung. Müller betont: „Robotersteckbarkeit ist ein echter Gamechanger. Sie senkt Montagekosten und steigert die Prozesssicherheit.“
Fazit
Die Transformation hin zur Elektromobilität und zum softwaredefinierten Fahrzeug stellt hohe Anforderungen an Energie- und Datenverteilung. Hersteller und Zulieferer stehen damit zukünftig vor der Aufgabe, Performancegrenzen neu auszuloten, ohne in Komplexität oder Kosten zu eskalieren. TE Connectivity positioniert sich hier als zentraler Technologiepartner mit Lösungen von Hochvolt über 48 Volt bis zu Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen. (oe)
Vielen Dank für das Gespräch!
(Das Gespräch mit den TE Experten führte Klaus Oertel, Chefredakteur der AEEmobility)
Weitere Informationen
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