Stejně jako se vyvíjely systémy od karburátorů a jednoduchých výfukových systémů k přesným vstřikovačům paliva, emisním systémům a systémům řízení trakce a brzd, díky novým architekturám, komponentům pro elektromotory, bateriovým sadám a pokročilé výkonové elektronice došlo podobnému pokroku také v oblasti elektrifikace vozidel. Společně tyto pokroky nutí inženýry, aby přehodnotili, jak jsou vozidla navržena a řízena pro maximální efektivitu, spolehlivost a bezpečnost.

Modelové prostředí vozidel

Zatímco velmi sledovaná poptávka po elektromobilech a hybridních vozidlech stále roste, prodej nových elektromobilů se v posledních několika měsících zpomalil v důsledku mnoha faktorů, včetně tržních a politických. Odborníci z oboru uvádějí jako dva hlavní důvody cenu a omezenou infrastrukturu nabíjení.

„Elektrifikaci jsme prováděli jen občas,“ řekl Ulery. „Pokud jedete více než 100 mil najednou, víte, že je třeba zabývat se nabíjecí infrastrukturou.“ Na druhou stranu prodeje hybridních vozidel překonávají prodeje elektromobilů. Podle údajů společnosti Edmunds zaznamenaly nákupy hybridních vozidel největší nárůst v roce 2023, kdy se jejich prodej zvýšil z více než 750 000 kusů v roce 2022 na více než 1 milion v roce 2023. 
Další nově vznikající kategorií je technologie mild hybrid, která využívá akumulátorem poháněný elektromotor k doplnění spotřeby plynu nebo nafty. Většina vozidel mild-hybrid je napájena 48V elektrickým systémem, což je vyšší napětí než u tradičních vozidel se spalovacím motorem. 48V systém napájí komponenty, které nejsou závislé na motoru, což umožňuje lepší provozní efektivitu.

I přes rychlé tempo inovací v konstrukci automobilů silnicím stále vládnou vozidla na benzinový pohon. Podle průzkumu společnosti Edmunds je 82 % dnes prodávaných nových vozidel poháněno plynem. Tempo elektrifikace však běží na plné obrátky od tradičních vozidel až po nejmodernější high-tech elektrické modely.

Elektrifikace pod kapotou

Ulery poznamenává: „Jedním z konstantních trendů, kterého jsme svědky, je mnohem vyšší elektrifikace - mechanické systémy se elektrifikují ve všech vozidlech z mnoha důvodů - zejména kvůli zvýšení účinnosti.“ Jedním z příkladů je technologie stop-start, která vypíná motor při zastavení vozidla, a automaticky znovu nastartuje, pokud řidič uvolní brzdu nebo sešlápne plynový pedál. Ačkoli tato funkce může na některé komponenty klást zvýšené nároky, jejím cílem je zlepšit účinnost paliva a snížit emise skleníkových plynů.

Další příklady elektrifikace pod kapotou jsou ventilátory chladiče, posilovač řízení, systémy HVAC a chladicí čerpadla. Všechny tyto systémy bývaly poháněny řemeny spalovacího motoru (ICE). Elektrická vodní čerpadla nahrazují mechanická radiátorová čerpadla pro efektivnější výkon a přesné řízení s elektrickým chlazením může prodloužit životnost těchto dílů. Pokud je k dispozici rozšířená správa baterie, cirkulují také chladicí kapalinou ve vozidle, aby regulovaly teplotu sady baterií, elektromotorů a výkonové elektroniky. 
Přechod na elektricky poháněné moduly, jako jsou čerpadla posilovače řízení, způsobí, že systém již není závislý na motoru, což snižuje parazitní zátěž a umožňuje více dostupného výkonu. Výrobci automobilů tak mohou do některých vozidel instalovat menší motory, zachovat stejný jízdní výkon a zároveň získat výhody z hlediska účinnosti a snížit produkci emisí.

„Elektrifikace otevřela cestu inovativním konstrukcím vozidel,“ poznamenává Luke. „Pokud odpadá nutnost přizpůsobovat se ‚architektuře s řemenovým pohonem’ u tradičního vnitřního spalovacího motoru, výrobci automobilů získávají vyšší flexibilitu ohledně rozmístění baterií a nabíjecích portů, možnost zvětšení prostoru pro cestující nebo náklad a další.“

Celkově lze říci, že trend elektrifikace nahrazuje tradiční mechanické systémy přesnými elektricky řízenými systémy, které mohou být účinnější. V kombinaci s pokroky v softwarovém ovládání jsou moderní vozidla čistší, energeticky účinnější a nabízejí výkon a udržitelnost pro řidiče osobních i užitkových vozidel.

Pokrok v oblasti baterií vozidel

V posledním desetiletí přešli výrobci vozidel z 12 V na vyšší napětí, například 24 V (zejména u užitkových vozidel), a nyní na 48V baterie s cílem zvýšení výkonu, snížení hmotnost vozidla, zlepšení zrychlení a dosažení úspor pohonných hmot. Evropská legislativa vytváří základy pro snižování emisí u nově vyráběných vozidel. Kombinace regulačních a tržních sil stojí za rostoucím posunem k architekturám s technologií mild hybrid, které zahrnují integrované startovací generátory; napětí 48 V je stále častější nejen u automobilů mild hybrid, ale pravděpodobně se bude objevovat také na více platformách ICE.

Přechod na 48V architekturu zahrnuje více než jen zvýšení systémového napětí. Vyžaduje také změnu elektrického základu. Vozidla s vyšším výkonem a bohatými funkcemi se spoléhají na lehčí a menší komponenty, které poskytují stejnou elektrickou účinnost jako model s vyšší hustotou.

Ulery říká: „Je běžné, že jak 12V, tak 48V systémy přecházejí od tradičních mechanických funkcí s klínovým řemenem na sérii elektromotorů.“ Podělil se o příklad těžkého pickupu využívajícího mechanickou energii pro svůj posilovač řízení. U mnoha vozidel se tato funkce stává elektrifikovanou. „Množství energie potřebné pro posilovač řízení ubírá z výkonu motoru, takže jeho přesunutím do samostatného elektrického systému mohou řidiči udržovat větší výkon hnacího ústrojí.“

Přechod automobilového průmyslu na systémy s vyšším napětím je vzhledem k významnému dopadu na konstrukční a výrobní proces postupný. Přechod každého výrobce probíhá v jiné časové ose na základě jejich produktů, technické vyspělosti a požadavků zákazníků, kterým slouží. Navíc všechny dodržují standardy a konstrukční postupy související s technologiemi, které budou používat, včetně:

• Norma ISO 21780 zahrnuje požadavky a zkoušky elektrických a elektronických součástí silničních vozidel vybavených elektrickým systémem pracujícím při jmenovitém napětí 48 V.
•  Doporučení VDA 320 vydává a spravuje německý svaz výrobců elektrotechniky a elektroniky ZVEI. Zahrnuje širokou škálu specifikací a zkušebních požadavků na elektrické a elektronické součásti v motorových vozidlech pro rozvoj 48V napájení.

Dodržování standardu pro dosažení inteligentní správy baterií je nedílnou součástí úspěchu 48V architektury. Díky správnému konstrukčnímu procesu se mohou výrobci automobilů vyhnout neefektivnímu skladování energie, zvýšeným nákladům a potenciálním bezpečnostním rizikům pro řidiče.

Základy propojení pro upřednostnění bezpečnosti

Aby vozidla mohla podporovat stále sofistikovanější elektrické funkce, vyžadují více energie než kdykoli dříve. Spolehlivá konstrukce konektorů pro 48V systémy, které musí splňovat výkonnostní a bezpečnostní normy vozidel, proto závisí na několika základních faktorech.

McWhinney říká: „Elektronika a infrastruktura - propojení pro podporu vozidla - jsou pro bezpečnost nezbytné.“

Vzhledem k tomu, že 48V systémy pracují s vyšším napětím (než 12 V), konektory a elektrické systémy musejí být vyrobeny z odolných materiálů a mít správnou izolaci, aby byla zajištěna jejich bezpečná a spolehlivá funkce. Tento požadavek je ještě důležitější, pokud je napětí vyšší než 48 V.

Poruchy konektorů mohou způsobit chybné funkce systému vozidla nebo ohrožení jeho bezpečnosti. Aby se předešlo odpojení, měly by konektory obsahovat blokovací mechanismy a odlehčení tahu, jakož i pravidelné kontroly a údržbu.

„Bezpečnost a monitorování elektrického systému je nyní důležitější než kdykoli dříve,“ říká McWhinney.

U aplikací s vyšším napětím má zachování kvality signálu zásadní význam. Vzhledem k tomu, že nevyhovující integrita signálu může způsobit poruchy, konektory musejí minimalizovat signálové ztráty a rušení se stíněnými kabely, stejně jako umožňovat správné uzemnění a strategické umístění. Řešení těchto otázek vyžaduje inovace a odborné znalosti, a proto přicházejí na řadu pokročilá konektorová řešení.

„Ačkoli to působí jako absolutní základ, důležitost propojení v konstrukci automobilů, zejména z hlediska bezpečnosti, je podceňována“ dodal Luke.

Držení kroku se změnami a certifikací součástí

Splnění bezpečnostních požadavků je nejvyšší prioritou, McWhinney však poznamenává, že další výzvou jsou neustálé změny požadavků na elektrické systémy vozidel, které nutí výrobce držet krok a neustále revidovat konektory a další součásti. Výrobci se mohou kdykoli využít  normy LV214, pokud chtějí sledovat požadavky na výkon a pečlivě vyhodnocovat a certifikovat schválené komponenty pro bezpečné použití v automobilovém průmyslu.

Součásti, které splňují požadavky LV214 nebo podobné normy, jsou obvykle vysoce kvalitní, robustní a spolehlivé díly, které vydrží nápor v silničním provozu, aniž by to bylo na úkor jejich výkonnosti. Například konektory řady MX150 od společnosti Molex zahrnují součásti navržené pro vozidla, která čelí náročným podmínkám a jsou odolná vůči extrémním teplotám, vibracím a vlhkosti.

Luke k tomu poznamenává: „Díky větším možnostem inovací v konstrukci vozidel se stále více výrobců vozidel hlásí k elektrifikaci. Vzhledem k extrémně rychlému inovačnímu cyklu existuje v této oblasti jen málo standardních platforem. Tato větší rozmanitost však nabízí spotřebitelům více stylů a možností přizpůsobení, přičemž náklady na vozidla se s technologickým pokrokem a nárůstem výroby pravděpodobně sníží.

Zohlednění užitkových vozidel

Zatímco o osobních automobilech toho bylo řečeno již mnoho, v oblasti užitkových vozidel (CV) se vše, o čem se v tomto článku hovoří, odehrává mnohem déle. Užitkové vozy rychle přešly z 12V na 24V systémy poskytující napájení pro naftové a některé elektrické systémů, což jim v minulosti umožňovalo mít menší startéry. Dlouhou historii v užitkových vozidlech má také elektrická vzduchotechnika (HVAC), zejména v autobusech, stavebních a zemědělských vozidlech a v těžké nákladní dopravě.

Užitková vozidla jsou obvykle určena k tomu, aby svému majiteli/provozovateli pomáhala vydělávat peníze, a proto musí fungovat spolehlivě. Tlak na spolehlivou funkci užitkového vozidla je obvykle vyšší než u osobních automobilů, a proto je zapotřebí větší těsnost a robustnost. Ať se již jedná o osobní nebo užitková vozidla, konstruktéři dnes musí brát v úvahu řadu složitých, energeticky náročných systémů a funkcí, které nejen splňují požadavky spotřebitelů a komerčních zákazníků, ale jsou také vysoce účinné, odolné a bezpečné. Dodavatelé technologií jsou naštěstí připraveni na výzvu vytvářet technologie, které tyto inovační problémy vyřeší.

Zatímco konstruktéři automobilů mění budoucnost dopravy, dodavatelé, jako společnost Molex a distributoři, jako společnost DigiKey, jsou aktivními účastníky a dodávají vysoce kvalitní komponenty, služby a odborné znalosti, které tuto transformaci umožňují.

Matt McWhinney a Kirk Ulery jsou manažeři rozvoje obchodu ve společnosti Molex. Společnost Molex jako přední světový poskytovatel konektorových řešení přináší technickou dokonalost, důvěryhodné vztahy a jedinečný závazek kvality a spolehlivosti usnadňující životy zákazníkům napříč průmyslovými odvětvími. Společnost Molex s více než 80letou důvěrou nabízí prvotřídní návrhy, výrobu a portfolio více než 100 000+inovativních produktů.

Shawn Luke je technický marketingový inženýr ve společnosti DigiKey. Společnost DigiKey, která je uznávaná jako lídr a trvalý inovátor v oblasti distribuce vysoce kvalitních elektronických součástek a produktů automatizace po celém světě, poskytuje více než 15,9 milionů součástek od více než 3000 kvalitních značkových výrobců.