Die Automobilindustrie erlebt einen beispiellosen Wandel, da Fahrzeuge zunehmend vernetzt werden, eine größere Autonomie erlangen, häufiger geteilt werden (insbesondere im Rahmen eines Serviceangebots) und natürlich auf einen Teil- oder Teilantrieb umsteigen. Es handelt sich um eine Revolution, die durch die rasante Entwicklung zahlreicher Elektro-, Elektronik- und Informationstechnologien ermöglicht wird. Vorbei sind die Zeiten, in denen ein mechanischer Verteiler zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Benzinmotor verwendet wurde. An ihre Stelle traten Systeme, die so komplex waren, dass es durchaus sinnvoll ist, Autos als mobile Datenzentren zu betrachten.
Funktionen wie die Fahrzeugautonomie dominieren in der Regel die öffentliche Aufmerksamkeit, da sie die Integration großer Mengen an Rechenleistung, mehrerer Sensordatenströme und komplexer Software erfordern. Zukünftige Fahrzeuge werden jedoch auch über Dutzende, wenn nicht Hunderte von verteilten elektronischen Steuergeräten verfügen, die andere Funktionen übernehmen, sowie über komplexe Steuerungssysteme. Infotainment, mehrere Konnektivitätsoptionen, fortschrittliche Klimaregelung und Hochspannungssysteme zur Steuerung der Elektromotoren des Fahrzeugs.
Während sich die Öffentlichkeit auf spannende Funktionen wie die Fahrzeugreichweite konzentriert, müssen sich Designer mindestens genauso mit Grundlagen wie der Auswahl passiver Komponenten wie Kondensatoren, Induktivitäten und Filter befassen. Beispielsweise kann ein typisches Auto mit Verbrennungsmotor heutzutage bis zu 8.000 mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCC) in einer Vielzahl von Funktionen verwenden (siehe Abbildung 1). Einige der modernsten batterieelektrischen Fahrzeuge von heute nutzen mehr als 10.000 MLCCs. Die richtige Auswahl dieser Komponenten wird tiefgreifende systemische Auswirkungen auf die langfristige Sicherheit und Leistung dieser Fahrzeuge haben.
Abbildung 1: Einsatz von MLCCs in aktuellen und zukünftigen Automobilen.
Kondensatorhersteller hinterfragen bereits die Auswirkungen von Fahrzeugtrends auf ihre Produktlinien. Einerseits müssen sie ein immer vielfältigeres Spektrum an Teilen herstellen, oft in Automobilqualität, um den Anforderungen der Automobilindustrie gerecht zu werden. Andererseits wissen sie, dass allein die Erhöhung der Anzahl der in einem Fahrzeug verwendeten Komponenten die Ausfallrate erhöht. Einige Hersteller prüfen bereits die Idee, mehrere passive Komponenten zu integrieren oder multifunktionale Schaltkreise zu schaffen, um diesem Trend entgegenzuwirken. Wichtige technologische Veränderungen, wie die Einführung von Siliziumkarbid- oder Galliumnitrid-Halbleiterbauelementen in Leistungssteuerschaltungen, werden jedoch weiterhin die Entwicklung neuer passiver Bauelemente erfordern, die sich an ihre Eigenschaften anpassen.
Das Gebot der Qualität
Die vielleicht größte Herausforderung für Komponentenhersteller besteht darin, Teile mit der Qualität und Zuverlässigkeit zu produzieren, die erforderlich sind, um den langfristig sicheren Betrieb dieser neuen Fahrzeuggeneration zu gewährleisten. Ein passives Bauteil, das in einem Mobiltelefon mit einer erwarteten Lebensdauer von fünf Jahren nach vier Jahren Nutzung ausfällt, ist ein Ärgernis. Wenn der gleiche Geräteausfall auftritt, wenn das Teil in einem Fahrzeug mit einer erwarteten Lebensdauer von 20 Jahren verwendet wird, stellt dies bestenfalls eine große Unannehmlichkeit und im schlimmsten Fall ein Sicherheitsrisiko dar. Um die gleiche Funktionsleistung und Ladungsspeicherdichte wie bei Geräten der modernsten Verbrauchertechnologie in gleich großen Gehäusen mit der für den Einsatz in Automobilen erforderlichen Qualität und Zuverlässigkeit zu erreichen, sind ständige Materialforschung, Prozessentwicklung und Konsistenz in der Fertigung erforderlich.
Spezifische funktionale Anforderungen
Was sind angesichts dieser Herausforderungen die spezifischen funktionalen Anforderungen der Geräte, die in den Autos von morgen verwendet werden, die viel vernetzter, autonomer, gemeinsam genutzter und elektrisch angetriebener sind?
Um mit der Konnektivität zu beginnen: Automobilhersteller sprechen bereits über den Einsatz der 5G-Mobilfunktechnologie, um die Konnektivität bereitzustellen, die sie nicht nur für Autodienste benötigen. Infotainment, aber auch für sogenannte Vehicle-to-Everything (V2X)-Strategien. Im V2X-Betrieb verbindet sich ein Fahrzeug mit allem um es herum – Verkehrsschilder, Fußgängerüberwege, andere Fahrzeuge usw. – um die Kontextinformationen zu sammeln, die Sie benötigen, um autonomes Fahren sicherer zu machen. Wenn 5G-Verbindungen so wichtig sein sollen, können sie sich nicht auf verbrauchertaugliche Technologie verlassen. Stattdessen müssen Hersteller passiver Komponenten automobiltaugliche Versionen der technologisch fortschrittlichen Teile entwickeln, die in Smartphones der nächsten Generation verwendet werden – beispielsweise Hochfrequenz-MLCCs für den Einsatz bei der Abstimmung von Antennen.
Der Kondensatorhersteller Murata entwickelt bereits Komponenten- und Verarbeitungstechnologien, um solche Teile mit der erforderlichen Qualität und Zuverlässigkeit herzustellen. Beispielsweise bietet es bereits Kondensatoren mit hohem Q-Faktor für das Tuning sowie Kondensatoren für den Einsatz in V2X-Kommunikationsmodulen an.
Im Hinblick auf die Fahrzeugautonomie besteht die Herausforderung darin, sicherzustellen, dass die sehr komplexen Computersysteme, die autonomes Fahren ermöglichen, unabhängig vom Zustand des Fahrzeugs konsistent funktionieren und dass die Daten, die sie benötigen, nicht von mehreren Onboard-Sensoren erfasst werden Die Übertragung wird durch die elektrisch verrauschte Umgebung des Fahrzeugs beeinträchtigt.
MLCCs mit hoher Kapazität werden benötigt, um die Steuerkreise der Stromversorgung anzutreiben und um die Stromkreise selbst zu entkoppeln. Die Nachfrage nach diesen Teilen wird wahrscheinlich steigen, da der Energieverbrauch zunimmt und die Automobilhersteller eine größere Redundanz in sicherheitskritischen Systemen einführen, beispielsweise bei der Stromversorgung für Fahrzeugautonomiesysteme.
Abbildung 2: Einsatz von MLCCs in Fahrzeugautonomiesystemen.
Dies wird wahrscheinlich auch die Nachfrage nach Miniatur-MLCCs mit hoher Kapazität für die Automobilindustrie erhöhen, die über eine niedrige äquivalente Serieninduktivität verfügen, um die Anzahl der MLCC-Komponenten zu reduzieren, die an der Peripherie von Leistungssteuerungs-ICs benötigt werden.
Das Aufkommen städtischer Autoclubs zeigt uns, dass die Menschen verstanden haben, dass sie kein eigenes Fahrzeug benötigen, um es zu nutzen. Das ist gut für die Umwelt, da die eingesetzten Materialien effizienter genutzt werden können, stellt aber auch neue Anforderungen an die Komponentenhersteller.
Fahrzeuge, die auf diese Weise gemeinsam genutzt werden, haben eine viel höhere Einschaltdauer als Privatautos, sodass Komponentenhersteller viel strengere Zuverlässigkeitsstandards erfüllen müssen, um einer derart intensiven Nutzung standzuhalten. Dies könnte bedeuten, dass Komponentenhersteller konservativere Designs implementieren müssen, um die erforderliche Zuverlässigkeit zu erreichen. Wenn Kunden ein hohes Maß an Zuverlässigkeit sowie kompakte Größen und hohe Kapazitäten wünschen, müssen die Hersteller neue Technologien entwickeln, um dies zu erreichen.
Schließlich verändert die Fahrzeugelektrifizierung die Branche bereits sehr schnell. Eine wichtige Änderung aus Sicht eines Komponentenlieferanten ist die Betriebsspannung der elektrischen Systeme von Autos. Viele Unternehmen verwenden seit Jahrzehnten 12-V-Gleichstrom-Bordnetze für ihre Autos mit Verbrennungsmotor. Jetzt, scheinbar innerhalb weniger Jahre, erhöht die Fahrzeugelektrifizierung die Betriebsspannung auf 48 V Gleichstrom (für einige Hybridfahrzeuge) und sogar auf 800 V Gleichstrom für einige Supersportwagen.
Zu den Vorteilen höherer Betriebsspannungen gehören ein schnelleres Laden mit kompatiblen Ladegeräten und kostengünstigere Kabelkanäle, als dies zur Übertragung der gleichen Strommenge bei niedrigeren Spannungen erforderlich wäre. Die Herausforderung für Komponentenhersteller besteht darin, Teile herzustellen, die diesen hohen Spannungen standhalten können, mit den zusätzlichen Sicherheitsmargen, die viele Kunden fordern, und mit den gleichen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsmerkmalen, die die Automobilindustrie bei niedrigeren Spannungen erwartet.
Die Herausforderung eines Elektrofahrzeugs meistern
Unternehmen wie Murata entwickeln bereits interne Marktkenntnisse, Material- und Prozesstechnologien sowie Fertigungsnetzwerke, um die für den Elektrofahrzeugmarkt benötigten Teile zu liefern.
Der Kondensatorhersteller konzentriert sich auf zwei Hauptansätze zur Verbesserung seiner Teile. Die erste besteht darin, Wege zu finden, die Materialien zu zerstäuben, aus denen das dielektrische Material und die Elektroden Ihrer MLCCs bestehen. Die zweite besteht darin, ihre Gesamteinheitlichkeit und die Einheitlichkeit ihrer Verteilung zu erhöhen, um den Qualitätsanforderungen der Automobilindustrie gerecht zu werden. Dazu gehört die Entwicklung neuer Materialien und die Suche nach neuen Möglichkeiten, sie zu formen, zu laminieren und zu verarbeiten, um Teile mit hohen Kapazitäten und hohen Spannungstoleranzen herzustellen.
Abbildung 3: Technologien zur Herstellung von MLCCs mit hoher Kapazität und hoher Zuverlässigkeit.
Eine zusätzliche Herausforderung für Hersteller von passiven Komponenten, die den Automobilmarkt beliefern, besteht darin, dass Automobilunternehmen besonders anspruchsvolle Kunden sind, die von ihren Lieferanten erwarten, dass sie ihre proprietären Standards erfüllen, ihre Fabriken nach externen Standards zertifizieren, den Kunden ermöglichen, Werke unabhängig zu bewerten und sich dann zu sehr langen Produktlebenszeiten zu verpflichten . Für die meisten Komponentenhersteller ist es eine große Herausforderung.
Murata stellt seine Automobil-MLCCs seit 1983 in einer „Mutterfabrik“ in der Stadt Izumo in der Präfektur Shimane her. Das Werk ist nach dem IATF16949-Standard für Qualitätsmanagementsysteme in der Automobilindustrie zertifiziert und stellt die neuesten Technologieprodukte des Unternehmens her. Murata verfügt über eine Anlage außerhalb von Manila auf den Philippinen, in der Automobilkomponenten in großen Stückzahlen hergestellt werden. Darüber hinaus baut das Unternehmen bei Fukui Murata Manufacturing und Murata Electronics Singapore eine Automobilkomponentenfertigung auf, sodass deren Produktion die der ersten beiden Werke ersetzen kann, wenn sie keine Produkte herstellen können.
Nachdem der Komponentenhersteller diese Einrichtungen und Geschäftskontinuitätspläne eingerichtet hat, um die konstante Versorgung sicherzustellen, die Automobilkunden benötigen, ermutigt er seine Kunden nun, die Werke zu ihrer eigenen Zufriedenheit zu qualifizieren, um ihre globalen Lieferketten in einer Zeit wachsender globaler Unsicherheit zu schützen und zu optimieren Handel.
