Ewolucja przemysłu motoryzacyjnego poprzez elektryfikację – czyli zastępowanie tradycyjnych układów mechanicznych elektrycznymi podzespołami i układami – znacząco zmienia projektowanie współczesnych pojazdów, począwszy od pojazdów z silnikami spalinowymi, poprzez tzw. „miękkie hybrydy” aż po konstrukcje całkowicie elektryczne.

Wraz z ewolucją układów – od gaźników i prostych układów wydechowych po precyzyjne wtryskiwacze paliwa, systemy emisji oraz układy kontroli trakcji i hamowania – podobne postępy nastąpiły w elektryfikacji. Obejmują one nowe konstrukcje, podzespoły silników elektrycznych, zestawy akumulatorów oraz zaawansowaną energoelektronikę. Wszystkie te innowacje skłaniają inżynierów do zmiany podejścia do sposobu projektowania i eksploatacji pojazdów w celu osiągnięcia maksymalnej sprawności, niezawodności i bezpieczeństwa.

Eksperci z dwóch wiodących firm z branży elektroniki – Matt McWhinney i Kirk Ulery, menedżerowie ds. rozwoju biznesu w firmie Molex, a także Shawn Luke, menedżer ds. marketingu technicznego w firmie DigiKey – przybliżają aktualny stan elektryfikacji oraz kluczowe kwestie dotyczące przyszłości branży motoryzacyjnej.

Göteborg, Szwecja – 1 grudnia 2019 r.: Elektryczny samochód hybrydowy typu plug-in zaparkowany na parkingu ulicznym do ładowania. Źródło: DigiKey

Przegląd modeli pojazdów

Choć bacznie obserwowany popyt na pojazdy elektryczne i hybrydowe nadal rośnie, sprzedaż nowych samochodów elektrycznych w ostatnich miesiącach spowolniła z powodu wielu czynników, w tym sytuacji rynkowej i polityki państw. Eksperci branżowi wskazują na wysokie koszty oraz ograniczoną infrastrukturę ładowania jako dwa kluczowe powody tego spowolnienia.

– Elektryfikacja rozwija się skokowo, z przestojami i wzlotami. Jeśli za jednym razem pokonujesz dystans większy niż 160 kilometrów, wiesz, że trzeba zadbać o infrastrukturę ładowania – powiedział Kirk Ulery.

Pojazdy hybrydowe wyprzedzają sprzedaż aut elektrycznych. Dane firmy Edmunds pokazują, że sprzedaż hybryd osiągnęła największy wzrost w 2023 roku – zwiększyła się z ponad 750 tys. sprzedanych egzemplarzy w 2022 roku do ponad 1 mln. w 2023 roku.

Kolejną rozwijającą się kategorią są tzw. „miękkie hybrydy”, które wykorzystują elektryczny silnik zasilany akumulatorem do wspomagania pracy silnika benzynowego lub wysokoprężnego. Większość miękkich hybryd działa na układzie elektrycznym 48V, co stanowi wyższe napięcie niż w układach elektrycznych tradycyjnych pojazdów spalinowych. Układ 48V zasila podzespoły niezależne od silnika, co przekłada się na większą sprawność operacyjną.

Mimo szybkiego tempa innowacji w projektowaniu pojazdów, na drogach wciąż dominują auta spalinowe. Według badań firmy Edmunds aż 82% nowych pojazdów sprzedawanych obecnie jest napędzanych silnikami spalinowymi. Jednak elektryfikacja postępuje zarówno w tradycyjnych samochodach, jak i w najbardziej zaawansowanych technologicznie modelach elektrycznych.

Elektryfikacja pod maską

– Jednym z niezmiennych trendów, które obserwujemy, jest coraz większa elektryfikacja – układy mechaniczne we wszystkich pojazdach są zastępowane elektrycznymi z wielu powodów – przede wszystkim w celu zwiększenia sprawności – zauważa Ulery.

Przykładem jest technologia Stop-Start, która wyłącza silnik, gdy pojazd się zatrzymuje, a następnie automatycznie uruchamia go ponownie, gdy kierowca zwalnia hamulec lub naciska pedał gazu. Choć funkcja ta może zwiększać obciążenie niektórych podzespołów, jej celem jest poprawa efektywności paliwowej oraz redukcja emisji gazów cieplarnianych.

Źródło: DigiKey

Kolejnymi przykładami elektryfikacji pod maską są wentylatory chłodnicy, układy wspomagania kierownicy, układy wentylacji i klimatyzacji (HVAC) oraz pompy chłodzące. Wszystkie te układy były wcześniej napędzane paskami klinowymi połączonymi z silnikiem spalinowym. Elektryczne pompy wodne zastępują mechaniczne pompy układu chłodzenia, zapewniając większą sprawność działania, a precyzyjne sterowanie elektrycznym układem chłodzenia może wydłużyć żywotność tych podzespołów. Przy zaawansowanym zarządzaniu energią akumulatora, pompy te dodatkowo rozprowadzają płyn chłodzący w całym pojeździe, regulując temperaturę pakietu akumulatorów, silników elektrycznych i energoelektroniki.

Zastosowanie elektrycznych modułów, takich jak pompy układu wspomagania kierownicy, uniezależnia układ od silnika, zmniejszając straty energii i zwiększając dostępną moc. Dzięki temu producenci pojazdów mogą montować mniejsze silniki w niektórych pojazdach, zachowując tę samą dynamikę jazdy, a jednocześnie zwiększając sprawność i redukując emisję spalin.

– Elektryfikacja otworzyła drzwi do innowacyjnych projektów pojazdów. Brak konieczności dostosowania się do „konstrukcji napędzanej paskiem” w tradycyjnym silniku spalinowym daje producentom samochodów większą swobodę w rozmieszczaniu akumulatorów i portów ładowania, umożliwia zwiększenie miejsca dla pasażerów lub ładunku oraz zapewnia wiele innych korzyści – zauważa Shawn Luke.

Ogólnie rzecz biorąc, elektryfikacja zastępuje tradycyjne układy mechaniczne precyzyjnymi układami sterowanymi elektrycznie, które mogą być bardziej wydajne. Połączenie elektryfikacji z postępem w dziedzinie oprogramowania sprawia, że nowoczesne pojazdy są czystsze, bardziej energowydajne oraz oferują lepsze parametry działania i większą zgodność z zasadami zrównoważonego rozwoju – zarówno w segmencie pojazdów osobowych, jak i użytkowych.

Postęp w technologii akumulatorów pojazdów

W ciągu ostatniej dekady producenci pojazdów przeszli najpierw z układów 12V na wyższe napięcia, takie jak 24V (szczególnie w pojazdach użytkowych), a obecnie na akumulatory 48V. Zmiana ta pozwala zwiększyć moc, zmniejszyć masę pojazdu, poprawić przyspieszenie oraz obniżyć zużycie paliwa.

Przepisy w Europie tworzą podstawy do redukcji emisji w nowo produkowanych pojazdach. Połączenie regulacji i czynników rynkowych przyspiesza przejście na układy miękkich hybryd, które obejmują zintegrowane prądnico-rozruszniki. Napięcie 48V zyskuje na znaczeniu nie tylko w miękkich hybrydach, ale prawdopodobnie pojawi się także w większej liczbie platform silników spalinowych.

Przejście na układ 48V to nie tylko zwiększenie napięcia. Wymaga to także zmiany całej elektrycznej struktury pojazdu. Bogato wyposażone samochody o wyższych parametrach wymagają lżejszych i mniejszych podzespołów, które zapewniają taką samą sprawność elektryczną jak modele o większej gęstości mocy.

– Zarówno układy 12V, jak i 48V przenoszą tradycyjne funkcje mechaniczne z paska wielorowkowego na szereg silników elektrycznych – stwierdził Ulery przytaczając przykład ciężarowego pickupa, w którym układ wspomagania kierownicy wykorzystuje energię mechaniczną. – W wielu pojazdach ta funkcja jest obecnie zelektryfikowana. Energia potrzebna do działania układu wspomagania kierownicy zmniejsza moc silnika, więc przeniesienie tego obciążenia do oddzielnego układu elektrycznego pozwala zachować więcej mocy dla układu napędowego pojazdu.

Przejście branży motoryzacyjnej na układy o wyższym napięciu to proces stopniowy, ze względu na jego znaczący wpływ na projektowanie i produkcję pojazdów. Każdy producent przeprowadza tę zmianę według własnego harmonogramu, dostosowanego do swoich produktów, poziomu zaawansowania technologicznego oraz wymagań klientów. Ponadto wszyscy muszą spełniać normy i stosować praktyki projektowe dotyczące technologii, które będą wykorzystywać. Należą do nich między innymi:

• ISO 21780 – norma określająca wymagania oraz procedury testowe dla elektrycznych i elektronicznych podzespołów w pojazdach drogowych wyposażonych w układ elektryczny o nominalnym napięciu 48V.
• Rekomendacja VDA 320 – publikowana i aktualizowana przez ZVEI – niemieckie stowarzyszenie producentów elektryki i elektroniki – obejmuje szeroki zakres specyfikacji oraz wymagań testowych dotyczących podzespołów elektrycznych i elektronicznych w pojazdach silnikowych, a jej celem jest wsparcie rozwoju układów zasilania 48V.

Stosowanie standardów umożliwiających inteligentne zarządzanie akumulatorem jest kluczem do sukcesu układu 48V. Dzięki odpowiedniemu procesowi projektowania, producenci samochodów mogą uniknąć nieefektywnego magazynowania energii, zwiększonych kosztów oraz potencjalnych zagrożeń dla bezpieczeństwa kierowców.

Priorytet bezpieczeństwa w połączeniach

Współczesne pojazdy wymagają coraz większej mocy do obsługi zaawansowanych funkcji elektrycznych. Dlatego niezawodna konstrukcja złączy dla układów 48V musi uwzględniać kilka kluczowych czynników, aby spełnić normy w zakresie parametrów działania i bezpieczeństwa.

– Obecność elektroniki i odpowiedniej infrastruktury – połączeń wspierających działanie pojazdu – jest kluczowa dla bezpieczeństwa – stwierdził Matt McWhinney:

Ze względu na to, że układy 48V pracują przy wyższym napięciu (niż 12V), złącza i instalacje elektryczne muszą być wykonane z wytrzymałych materiałów oraz odpowiednio izolowane, aby zapewnić bezpieczne i niezawodne działanie. Jest to szczególnie istotne w przypadku napięcia przekraczającego 48V.

Awaria złączy elektrycznych może prowadzić do nieprawidłowego działania układów pojazdu lub stwarzać zagrożenie dla bezpieczeństwa. Aby zapobiec rozłączeniom, złącza powinny być wyposażone w mechanizmy blokujące i odciążające, a także podlegać regularnym kontrolom i konserwacji.

Źródło: DigiKey

– Bezpieczeństwo i kontrola układu elektrycznego są teraz ważniejsze niż kiedykolwiek – zapewnił McWhinney.

Utrzymanie wysokiej jakości sygnału ma kluczowe znaczenie w układach wysokiego napięcia. Słaba integralność sygnału może prowadzić do awarii, dlatego złącza muszą minimalizować straty sygnału i zakłócenia poprzez zastosowanie ekranowanych kabli, odpowiednie uziemienie oraz strategiczne rozmieszczenie. Do spełnienia tych wymagań potrzebna jest innowacyjność i specjalistyczna wiedza, co sprawia, że kluczową rolę odgrywają zaawansowane rozwiązania w dziedzinie złączy.

– Może się wydawać, że to oczywista podstawa, ale nie docenia się roli połączeń w projektowaniu pojazdów, zwłaszcza w kontekście bezpieczeństwa – dodał Luke.

Dostosowanie do zmian i certyfikacja podzespołów

Spełnienie wymogów bezpieczeństwa jest priorytetem, jednakże McWhinney zauważa, że dodatkowym wyzwaniem jest ciągła zmiana wymagań dotyczących układów elektrycznych w pojazdach. Wymusza to na producentach konieczność nadążania za nowymi standardami oraz ciągłego dostosowywania złączy i innych podzespołów.

Producenci mogą korzystać z norm LV214, aby monitorować wymagania dotyczące parametrów działania oraz dokładnie sprawdzać i certyfikować zatwierdzone podzespoły do bezpiecznego stosowania w motoryzacji.

Podzespoły spełniające normy LV214 lub podobne kwalifikacje to zazwyczaj wysokiej jakości, wytrzymałe i niezawodne części, które mogą sprostać trudnym warunkom na drodze bez pogorszenia parametrów działania. Przykładem jest seria złączy MX150 firmy Molex zaprojektowana z myślą o pojazdach używanych w wymagających środowiskach i odpornych na ekstremalne temperatury, drgania i wilgoć.

– Wraz z rosnącymi możliwościami innowacji w projektowaniu pojazdów coraz więcej producentów wdraża praktyki związane z elektryfikacją. Ze względu na niezwykle szybki cykl innowacji w tej branży jest niewiele standardowych platform. Jednak większa różnorodność zapewnia konsumentom więcej możliwości wyboru, a wraz z postępem technologicznym i wzrostem produkcji spodziewamy się, że ceny pojazdów będą stopniowo spadać – zauważył Luke.

Pojazdy użytkowe

Choć większość uwagi skupia się na samochodach osobowych, wszystkie kwestie omówione w tym artykule pojawiły się znacznie wcześniej w segmencie pojazdów użytkowych. Pojazdy użytkowe szybko przeszły z układów 12V na układy 24V w celu zasilania silników wysokoprężnych oraz niektórych układów elektrycznych, co w przeszłości umożliwiło stosowanie mniejszych rozruszników. Również elektryczne układy wentylacji i klimatyzacji (HVAC) są od dawna stosowane w pojazdach użytkowych, zwłaszcza w autobusach, maszynach budowlanych i rolniczych oraz samochodach ciężarowych.

Przeznaczeniem pojazdów użytkowych jest zazwyczaj umożliwienie ich właścicielowi lub użytkownikowi wykonywania pracy zarobkowej, dlatego muszą one działać niezawodnie. Wymagania dotyczące niezawodności pojazdów użytkowych są zazwyczaj wyższe niż w przypadku samochodów osobowych, dlatego konieczne są dodatkowe uszczelnienia i większa wytrzymałość.

Niezależnie od tego, czy chodzi o pojazdy osobowe, czy użytkowe, inżynierowie muszą dziś uwzględniać wiele skomplikowanych, energochłonnych układów i funkcji, które nie tylko spełniają oczekiwania konsumentów i rynku komercyjnego, ale są także efektywne, trwałe i bezpieczne. Na szczęście dostawcy technologii są gotowi podjąć to wyzwanie, tworząc technologie, które rozwiążą problemy związane z innowacjami.

Podczas gdy inżynierowie w branży motoryzacyjnej kształtują przyszłość transportu, dostawcy tacy jak Molex oraz dystrybutorzy jak DigiKey wspierają ten proces, dostarczając wysokiej jakości podzespoły, usługi i wiedzę, które umożliwiają realizację tej transformacji.

Autorzy:

Shawn Luke – inżynier ds. marketingu technicznego w firmie DigiKey

Matt McWhinney – dyrektor ds. rozwoju biznesu grupy, Kirk Ulery – dyrektor ds. rozwoju dystrybucji w firmie Molex, która działa na rynku od ponad 80 lat i posiada w swojej ofercie portfolio ponad 100 tys. innowacyjnych produktów, których jest producentem.

Shawn Luke jest inżynierem ds. marketingu technicznego w firmie DigiKey, dystrybutora 15,9 miliona podzespołów elektronicznych ponad 3000 marek oraz produktów automatyki.