Teil 1 - Alte Technik in neuesten Produkten
Aktuell arbeiten Politik und Industrie mit großer Intensität an einer Transformation vom bewährten Verbrennungsmotor für den Antrieb von Fahrzeugen hin zur Elektromobilität. Im Vordergrund steht dabei die Vermeidung von klimaschädlichen Emissionen, wobei hierbei natürlich zunächst nur die Emissionsfreiheit des Elektromotors zu verstehen ist. Die Herstellung des Motors und des für den Antrieb notwendigen Stroms sind damit nicht grundsätzlich emissionsfrei. Dabei sind die sogenannten alternativen Antriebskonzepte – allen voran die Elektromobilität im Fahrzeugbau –seit mehr als 100 Jahren bekannt. Bereits im Jahr 1900 gab es von Porsche einen kutschenähnlichen, vollelektrischen Wagen, der mit Radnabenmotoren ausgestattet war. Noch deutlich weiter zurück reicht eine weitere Variante eines Antriebs: Im Jahr 1807 erhielt Francois Isaac de Rivaz das erste Patent für einen Verbrennungsmotor(Abb. 1), der mit Wasserstoff befeuert wurde.
Abb. 1: Rivaz' Motorwagen, Patentzeichnung von 1804 [1]
Vor fast zwei Jahrhunderten wurde die heute nach wie vor als neu geltende Energiegewinnung durch elektrochemische Prozesse ersonnen. Im Jahr 1839 entwickelten Christian Friedrich Schönbein und William Grove die Brennstoffzelle. Auch die Methode zur kontinuierlichen Abgabe elektrischer Ströme als Vorgänger des unabdingbaren Stromspeichers für alle Arten an elektrisch betriebenen Geräte entstand in dieser Zeit. Alessandro Volta entwickelte im Jahr 1800 die Voltaische Säule (Abb. 2), mit der erstmals elektrische Energie erzeugt werden konnte und die den Transport des Energieerzeugers ermöglichte.
Abb. 2: Voltaische Säule [1]
66 Jahre später folgte der elektrisch betriebene Generator, erdacht und produziert von Werner von Siemens. Energiespeicherung in Batterien und Generatoren öffneten nun die Möglichkeit zur Elektromobilität. Im Jahr 1899 wurde ein zigarrenförmiges Fahrzeug gebaut (Abb. 3), das bereits eine Höchstgeschwindigkeit von rund 100 km/h erreichen konnte. Eines der berühmtesten Elektrofahrzeuge ist das Mondfahrzeug aus dem Jahr 1970 (Abb. 4).
Abb. 3: Frühes Elektrofahrzeug des Konstrukteurs Camille Jenatzy aus dem Jahr 1899 [1]
Abb. 4: Lunar Roving Vehicle (LRV) von Apollo 15 [1]
Abb. 5: Porsche „Semper Vivus" (1900) [1]
In Anbetracht dieser langen Zeit, seit der diese Möglichkeiten zur Erzeugung von Fortbewegung bei Fahrzeugen bekannt sind, stellt sich natürlich die Frage, warum sich die Elektromobilität nicht schon früher durchgesetzt hat. Der Porsche aus dem Jahr 1900 (Abb. 5), von dem etwa 300 Exemplare verkauft wurden, verfügte über zwei Radnabenmotoren mit jeweils 7 PS beziehungsweise 5,2 kW. Die Stromversorgung erfolgte über eine aus 44 Zellen bestehende Batterie mit einer Spannung von 80 V und einer maximalen Leistung von 300 Ah. Die Höchstgeschwindigkeit lag bei 50 km/h und die maximale Reichweite bei 50 km. Von dem Gesamtgewicht von 980 kg entfielen allerdings 410 kg auf die Batterie, was circa 42 % entspricht. Damals wie heute lagen beziehungsweise liegen die wesentlichen Herausforderungen also in der begrenzten Reichweite sowie der unzureichenden Infrastruktur, den Ladepunkten.
Obwohl in den letzten mehr als 100 Jahren verschiedene Weiterentwicklungen stattgefunden haben, konnte sich die Elektromobilität, wie auch andere Antriebskonzepte, nicht wirklich durchsetzen. Erst nachdem zur Erreichung der internationalen Klimaziele der politische Druck erhöht und Flottenziele für die Emissionen von Kohlenstoffdioxid (CO2) definiert wurden, deren Verfehlung wiederum mit empfindlichen Strafzahlungen der Fahrzeughersteller verbunden sind, hat die Entwicklung vieler neuer Elektromodelle und deren Serienproduktion Fahrt aufgenommen.
Im ersten Quartal 2023 war jedes siebte Auto weltweit ein Elektrofahrzeug, also ein EV (Electric Vehicle). Von diesen EV-Verkäufen waren 73 % vollelektrische Fahrzeuge, die BEVs (Battery Electric Vehicle). Der Rest entfiel auf Fahrzeuge mit verschiedenen hybriden Antrieben.
Mit der Elektrifizierung der Fahrzeuge steigt auch der Anteil Elektronik in den Fahrzeugen. Die Zahl der Fahrerassistenzsysteme mit zahlreichen Sensoren und Kamerasystemen erhöht sich stetig (Abb. 6). Die Batterie benötigt ein Managementsystem - das BMS, Elektromotoren und Inverter sind voller Elektronik, aber auch im Innenraum gibt es wesentliche Veränderungen. So geht der Trend weg von klassischen mechanischen Schaltern, hin zu integrierten elektronischen Lösungen und immer mehr Touch-Displays.
Abb. 6: Fahrzeugstudie mit immer mehr elektronischen Aggregaten und Bedienelementen [2]
Abb. 7: Prozentualer Anteil elektronischer Komponenten bei Rückrufaktionen von Fahrzeugen [3]
Eine Darstellung (Abb. 7) aus dem Stout Automotive Defect & Recall Report von 2021 [3] zeigt den Anteil verschiedener Softwareursachen und den Ausfall von Hardwarekomponenten, die in den Jahren 2009 bis 2020 zu Rückrufaktionen geführt haben. Obwohl der Anteil der ausgefallenen Hardware über die Jahre zurückgegangen ist, lag er im Jahr 2020 immer noch bei rund 50 %. Diese sicher hohe Zahl im Vergleich zu den konventionellen Fahrzeugen, wie sie bis vor einigen Jahren der Standard waren, ist auf eine relativ hohe Anfälligkeit der heute erforderlichen Bauteile zurückzuführen: Die beiden Hauptfeinde von elektronischen Komponenten sind Vibrationen und hohe Temperaturen. Beides ist im Fahrzeug vorhanden. Damit werden mechanische Stabilität und gutes Thermomanagement zu wichtigen Faktoren, um Hardware zukünftig zuverlässiger zu machen.
Dieser Rückblick auf den langen Zeitraum zwischen den ersten Ansätzen zum Einsatz von Elektromotoren bei Fahrzeugen und den aktuellen Bemühungen, Fahrzeuge so umfassend wie möglich mittels elektrischem Strom als Energiequelle zu bewegen, ist der Start einer Artikelserie. In dieser werden aus Sicht des Entwicklers und Anbieters von innovativen Oberflächentechniken detailliert Technologien und Werkstoffe aufgezeigt und diskutiert, die dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit, das Thermomanagement und die Zuverlässigkeit von elektronischen Komponenten zu verbessern. In der nächsten Ausgabe der WOMag werden die verschiedenen Antriebsalternativen erklärt, sowie einige wichtige Komponenten vorgestellt.
Literatur
[1] www.wikipedia.de; zuletzt abgerufen im Juli 2023
[2] Unterlagen der MacDermid Alpha
[3] Stout 2021 Automotive Defect & Recall Report, Seite 33, Abb. 16
Surface technology -
supporter and driver for the transformation of vehicle technology
Part 1 - Old technology in newest products
Politics and industry are currently working with great intensity on a transformation from the well-tried combustion engine for driving vehicles to electromobility. The focus here is on avoiding emissions that are harmful to the climate, in which of course only the zero-emissions of the electric motor is to be considered by the car maker and consumer. The production of the new electric powertrain and the electricity required for the drive are almost never emission-free. The so-called alternative drive concepts - above all electromobility in vehicle construction - have been known for more than 100 years. As early as 1900, Porsche had a carriage-like, full-electric car equipped with wheel hub motors. Another variant of a drive goes back even further: in 1807, Francois Isaac de Rivaz received the first patent for a combustion engine (Fig. 1) that was fired with hydrogen.
Fig. 1: Rivaz' Motor vehicle, patent drawing from 1804 [1]
Almost two centuries ago, the generation of energy by electrochemical processes, which is still considered new today, was devised. In 1839, Christian Friedrich Schönbein and William Grove developed the fuel cell. The method for the continuous delivery of electrical currents as a predecessor of the indispensable power storage for all types of electrically operated devices also emerged during this time. In 1800, Alessandro Volta developed the voltaic pile (Fig. 2), with which electrical energy could be generated for the first time and which made it possible to transport the energy generator.
Fig. 2: voltaic pile [1]
The electrically operated generator followed 66 years later, conceived and produced by Werner von Siemens. Energy storage in batteries and generators now opened up the possibility of electromobility. In 1899, a cigar-shaped vehicle (Fig. 3) was built that could already reach a top speed of around 100 km/h. One of the most famous electric vehicles is the lunar vehicle from 1970 (Fig. 4).
Fig. 3: Early e-vehicle of the year 1899 designed by Camille Jenatzy [1]
Fig. 4: Lunar Roving Vehicle (LRV) of Apollo 15 mission [1]
Fig. 5: Porsche „Semper Vivus" (1900) [1]
In view of the long time since these possibilities for generating locomotion in vehicles have been known, the question naturally arises as to why electromobility did not become established earlier. The Porsche from 1900 (Fig. 5), of which around 300 vehicles were sold, had two wheel hub motors with 7 hp or 5.2 kW each. Power was supplied by a 44-cell battery with a voltage of 80 V and a maximum capacity of 300 Ah. The top speed was 50 km/h and the maximum range was 50 km. However, the battery accounted for 410 kg of the total weight of 980 kg, which corresponds to approx. 42 %. Then as now, the main challenges were the limited range and the inadequate infrastructure, the charging points.
Although various further developments have taken place over the past 100 years, electromobility, like other drive concepts, has not really been able to establish itself. Only after the political pressure had increased to achieve the international climate targets and fleet targets for carbon dioxide (CO2) emissions had been defined, failure to meet which in turn would result in heavy penalties for vehicle manufacturers, did the development of many new electric models and their series production pick up speed.
In the first quarter of 2023, every 7th car worldwide was an electric vehicle (EV). Of those EV sales, 73 % were all-electric vehicles, the BEVs (Battery Electric Vehicle). Vehicles with various hybrid drives accounted for the remainder.
With the electrification of vehicles, the proportion of electronics in vehicles is also increasing. The number of driver assistance systems (ADAS) with numerous sensors and camera systems is constantly increasing (Fig. 6). The battery needs a management system - the BMS, electric motors and inverters are full of electronics, but there are also significant changes in the interior. The trend is moving away from classic mechanical switches towards integrated electronic panels and more and more touch displays.
Fig.6: Vehicle study with more and more electronic units and controls [2]
Fig. 7: Percentage of recall campaigns by electronic components [3]
A representation (Fig. 7) from the Stout Automotive Defect & Recall Report from 2021 [3] shows the proportion of different software causes and the failure of hardware components that led to recall campaigns in the years 2009 to 2020. Although the proportion of failed hardware has decreased over the years, it was still around 50% in 2020. This certainly high figure compared to conventional vehicles, which were the standard up until a few years ago, is due to the relatively high susceptibility of the components required today: The two main enemies of electronic components and their interconnects, are vibration and heat which are both are present in the vehicle. This makes mechanical stability and good thermal management important factors in making hardware more reliable in the future.
This review of the long period between the first attempts to use electric motors in vehicles and the current efforts to move vehicles as much as possible using electricity as an energy source is the start of a series of articles. In this series, technologies and materials that contribute to improving the performance, thermal management and reliability of electronic components are shown and discussed in detail from the point of view of the developer and supplier of innovative surface & joining technologies. In the next issue of WOMag, the various drive alternatives will be explained and some important components presented.
References
[1] www.wikipedia.de; last call on July, 2023
[2] Documents of MacDermid Alph
[3] Stout 2021 Automotive Defect & Recall Report, page 33, fig. 16
