Die neuesten Bewegungssysteme für Elektrofahrzeuge, E-Bikes und AGVs

Von Mike Santora | 20. März 2023

Wir haben kürzlich mehrere Branchenexperten zu den Trends befragt, die sie bei der Gestaltung und Nutzung von Elektrofahrzeugen (EVs), Rollern, eBikes und autonomen Bodenfahrzeugen (AGVs) sehen. Hier ist, was diese Experten zu sagen hatten.

Ian Blasch | Senior Director – Geschäftsentwicklung • JabilJames Gallant | Betriebsleiter • ISL Products International Ltd.Jarod Garbe | Segmentleiter Automobilindustrie • FestoChris Gottlieb | Direktor – Antriebe und Steuerungen • KollmorgenLawrence Lin | Geschäftsentwicklungsmanager für Elektrofahrzeugbatterien • FestoRobert Luchars | Vizepräsident für Geschäftsentwicklung • ECM PCB Stator TechnologyMatt Mowry | Produktmanager – drylin Linearlager • igus Inc.Biren Patel | Business Development Manager – Mobilitätslösungen • maxonBruce Rose | Hauptanwendungsingenieur • CUI Inc.Dave Schellenberger | Manager – Geschäftsbereich Automobilprodukte (Amerika) • Microchip TechnologyYoshitaka Umeno | Globaler Marktmanager – Medizin und Robotik • Kollmorgen Corp.

Galant: Wir spezialisieren unsere Gleichstrommotoren und Getriebemotoren für diese Arten von EV-, eBike- und AGV-Anwendungen und -Geräten. Für die Bewegungssteuerung fordern Kunden in diesen Anwendungen typischerweise die Ergänzung unseres Gleichstrommotors/Getriebemotors mit einem unserer inkrementalen magnetischen Encoder. Für jede unserer BLDC-Motorlösungen ist ein zusätzlicher Motorcontroller erforderlich. Wir bieten Standard-BLDC-Motorsteuerungen an. Für Kunden, die eine vollständig kundenspezifische Motorsteuerung wünschen, bieten wir ihren Elektronikingenieuren technische Unterstützung beim PCB-Design.

Rose: Mit Eingangsspannungen von weniger als 10 VDC bis mehr als 1000 VDC werden die DC/DC-Wandler in Drohnen und Fahrrädern mit kleinen und Niederspannungsbatterien sowie in kommerziellen Bussen und Lastkraftwagen mit großen und Hochspannungsbatterien eingesetzt. Die AC/DC-Netzteile und die DC/DC-Wandler werden in Batterieladesystemen eingesetzt, die von steckdosenbetriebenen Drohnen und Fahrradladegeräten bis hin zu leistungsstarken, fest installierten Ladegeräten für Autos, LKWs und Busse reichen.

Interessanter als die zahlreichen Sensoren in Elektrofahrzeugen sind die Energie- und Kommunikationstechnologien, die eingesetzt werden, um die Sensoren zu aktivieren und enorme Datenmengen von ihnen zu übertragen. Die Energieverteilung in Autos, Lastwagen, Bussen und Flugzeugen wandelt sich in eine ähnliche Situation wie in Rechenzentren. Es kommt immer häufiger vor, dass ein 48-V-DC-Stromversorgungs-Backbone mit vielen Zweigen und zugehörigen Point-of-Load-DC/DC-Wandlern eingesetzt wird. Die POL-Wandler reduzieren die verteilte Spannung auf das Niveau, das jeder Sensor oder Aktor benötigt. Das Gewicht und Volumen des für die Stromverteilung erforderlichen Kupfers wird durch die Implementierung dieser Topologie erheblich reduziert.

Jabils Kurzwellen-Infrarot-3D-Kamera-Demonstrator arbeitet mit einer Wellenlänge von 1130 nm und eignet sich daher gut für Außenanwendungen.

Mowry: Je autonomer die Elektrofahrzeuge werden, desto mehr Automatisierung findet im Fahrerhaus statt, um das Erlebnis für Fahrer und Passagiere zu verbessern. Wir haben neue Anwendungen für unsere Spindeln beim automatischen Öffnen von Ladeanschlüssen, elektrischen Schiebefenstern auf der Rückseite von Pickup-Trucks und linearen Systemen gesehen, die die Position des Armaturenbretts, des Lenkrads oder anderer Teile des Innenraums ändern können, um mehr zu schaffen Benutzerraum für die Passagiere.

Die Abbildung der Pflanze unterstreicht die Fähigkeit des SWIR-3D-Kamerademonstrators von Jabil, Tiefeninformationen eines Objekts zu erfassen, das teilweise von der Sonne beleuchtet und teilweise von der Sonne beschattet wird.

Du wirst kämpfen: Die PCB-Stator-Elektromotoren von ECM sind die zentrale Komponente für die Umwandlung elektrischer Energie in Drehmoment, Pferdestärke, mechanische Leistung und Vorwärtsbewegung in E-Mobilitätsanwendungen. Tatsächlich stellt unsere Kopplung der Leiterplatten- und Axialflussmotortopologie mit einer SaaS-Plattform ein neues Technologietool für die Elektromobilität dar. Die PCB-Stator-Elektromotoren von ECM sind leichter, schneller, leiser und erreichen viel höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Maschinen. Wir verbinden dies mit unserer Motor-CAD-Software PrintStator, die eine beispiellose Designflexibilität bietet. Die SaaS-Plattform von ECM nimmt diskrete Eingaben auf: wie viel Drehmoment, Leistung und gewünschte Drehzahl und wandelt diese in ein Design für einen kundenspezifischen PCB-Stator um, der in Axialflussmaschinen verwendet wird.

Die Motorkonstruktionen von ECM in Axialfluss-Luftkernmaschinen bieten maximales Drehmoment und überlegene Leistung bei viel kleinerem Platzbedarf. Dies bietet zahlreiche Design- und Leistungsvorteile für elektrisch betriebene Anwendungen wie Drohnen, E-Bikes und bestimmte Wasserfahrzeuge. Zu den offensichtlichsten Vorteilen gehören geringeres Gewicht gepaart mit verbesserter Leistung und höherer Batterieeffizienz.

Schellenberger: Microchip Technology bietet eine Reihe halbleiterbasierter Lösungen für den E-Mobilitätsmarkt. Unsere Lösungen aus Siliziumkarbid (SiC) ermöglichen die Umwandlung, Regelung und Steuerung von Hochspannungsenergie, die für den Antrieb in Elektrofahrzeugen, Elektrofahrrädern und Motorrollern erforderlich ist. Unsere AUTOSAR-fähigen digitalen Signalcontroller (DSCs) mit einer leistungsstarken DSP-Engine und speziellen Peripheriegeräten führen zu atemberaubenden Leistungssteigerungen in digitalen Stromversorgungsanwendungen. Neben diesen Kernkomponenten bieten wir unter anderem auch Energiemanagement-, Konnektivitäts-, Timing- und Sicherheitslösungen an, um Kunden beim Aufbau einer Gesamtsystemlösung für E-Mobilitätsanwendungen zu unterstützen.

Hinsichtlich der Sensorik sind LiDAR-, Radar-, Ultraschall- und kamerabasierte Systeme wegweisend für autonome Fahrzeuge. Darüber hinaus sind unsere induktiven Sensorlösungen von entscheidender Bedeutung für Motorsteuerungsanwendungen und Positionserfassung für Elektrofahrzeuge. Auf der Antriebsseite haben die für den Antrieb von Elektrofahrzeugen erforderlichen Hochspannungssysteme die Nachfrage nach SiC-MOSFETs und -Dioden geschaffen, die Hunderte von Volt aushalten können.

Lin: Überlegen Sie, wie die Bewegungssteuerung bei der Produktion von Elektrofahrzeugbatterien eingesetzt wird. Bei der Batterieherstellung gibt es zwei Betriebsumgebungen – in einem trockenen Raum (Taupunkt < -20 °C), bevor die prismatischen, zylindrischen und beutelförmigen Batterien versiegelt werden – und in der Fabrikumgebung, in der die versiegelten Montagezellen platziert werden in Modulen. Nachdem die Zellen in Modulen platziert wurden, werden sie mit Klebstoff im Modul befestigt, zugepresst und zum Einbau in die Fahrzeuge in einen EV-Batteriesatz eingesetzt.

Kartesische Portalroboter von Festo werden für Kommissionierungs-, Platzierungs-, Versiegelungs- und Pressvorgänge in der Fabrik eingesetzt. Portale, die von vornherein kompakt sind, nutzen nahezu 100 % des Arbeitsraums, was zu einer geringeren Stellfläche in der Fabrikhalle führt. Portale erfordern weniger Schutzmaßnahmen, was Kosten und Platz spart. Die Portalbewegung ist schnell und präzise für die dreiachsige Bewegung zum Aufnehmen und Platzieren, Versiegeln und Pressen.

Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien besser und schneller sein und hinsichtlich der Leistung überlegene Systeme anbieten. Festo hat das Online-Engineering-Produktivitätstool „Handling Guide“ entwickelt, das die Portalkonstruktionszeit von durchschnittlich zwei Wochen auf 20 Minuten verkürzt. Mit diesem kostenlosen Online-Tool geben Ingenieure grundlegende Anwendungsparameter wie Masse, Drehmoment und Geschwindigkeit ein und Handling Guide Online entwirft das optimale Portal. Am Ende einer Designsitzung erhält der Ingenieur eine 3D-CAD-Zeichnung, eine Stückliste, einen voraussichtlichen Liefertermin und einen Kostenvoranschlag für das System. Mit einer 3D-CAD-Zeichnung kann der OEM mit der Maschinenkonstruktion fortfahren, während er auf die Portallieferung wartet, und das Projekt weiter vorantreiben.

Festo liefert vollständig getestete Portale, die entweder als schnell montierbare Bausätze oder als komplett montierte, einbaufertige Systeme geliefert werden. Jeder OEM erhält eine eindeutige Teilenummer für das Portal zur einfachen Nachbestellung und Identifizierung der Komponenten. Wenn das Portal und der Schaltschrank von Festo eintreffen, schließt der OEM die Stromversorgung zusammen mit den Steuerkabeln an und verwendet vorinstallierte Funktionsblöcke zur Programmierung der Einheit. Mit dem Festo Motion Control Package kann der OEM die übliche Inbetriebnahmezeit von einer Woche auf ein bis zwei Tage verkürzen.

Komponenten von Festo werden bei der Produktion von Batterien für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Hier ist das Innere der Festo GBBatterie-Maschine abgebildet.

Zu Ehren von: Bei der Produktion von Elektrofahrzeugbatterien besteht ein enormer Druck auf die schnelle Entwicklung, den Bau und die Inbetriebnahme automatisierter Maschinen für die Produktion. Diese Maschinen müssen eine überragende Betriebszeit, Genauigkeit, Datenerfassung und Zuverlässigkeit aufweisen. Zusammen mit der wachsenden Verbrauchernachfrage nach Elektrofahrzeugen und dem Bestreben, ein Marktführer für Automobilunternehmen zu werden, hat das Inflation Reduction Act die Branche aufgrund der im Gesetzentwurf enthaltenen Steueranreize dazu veranlasst, noch schneller als zuvor voranzukommen. Bis 2030 gibt es enorme Produktionsziele. Die Automobilhersteller können diese Ziele nur durch hochautomatisierte, zuverlässige Produktionsmethoden erreichen. Bei der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge verwenden OEMs aufgrund ihrer Genauigkeit im Vergleich zu Sechs-Achsen-Robotern linearbewegungsbasierte Portale. Je weiter sich ein sechsachsiger Arm von seiner Basis entfernt, desto mehr verlieren die Roboter an Genauigkeit. Ein Portal gewährleistet eine hohe Genauigkeit im gesamten Arbeitsbereich. Wir stellen fest, dass OEMs in der Batterieindustrie keine Komponenten von mehreren Lieferanten kaufen möchten. Die Verwendung zahlreicher Anbieter verkompliziert die Bestellung in Bezug auf Zeit, Lagerbestand und Support für Mehrkomponenten-/Mehranbietersysteme und birgt das Risiko, dass die Komponenten Interoperabilitätsprobleme haben.

Auch Lernkurven für Programmierung und Verkabelung erfordern höhere interne Ressourcen. OEMs möchten, dass ihre Maschinen schneller geliefert und in Betrieb genommen werden, eine zuverlässige Leistung erbringen und einfacher zu warten sind. All dies führt zu einer Anbieterkonsolidierung. Der Handling Guide Online reduziert die Lieferzeit eines Portalroboters von durchschnittlich acht Wochen auf drei Wochen.

Bild zur Produktion von E-Batterien: Festo

Patel: maxon hat eine leichte, mittig montierte Antriebseinheit entwickelt, die bei Bedarf Unterstützung bietet und in den Rahmen integriert werden kann. Die Bikedrive AIR-Antriebseinheit wiegt nur 1,9 kg und verfügt über einen Q-Faktor ab 155 mm sowie eine Freilauftechnologie, die keinen spürbaren Widerstand bietet. Das bedeutet, dass beim Rückwärtstreten und beim Fahren ohne Unterstützung keine Reibungskraft durch den Motor überwunden werden muss. Die Antriebseinheit mit niedrigem Profil ermöglicht es Herstellern von Renn-, Gravel-, Stadt-, Kinder- und Mountainbikes, weiterhin traditionelle Rahmendesigns zu verwenden.

Für AGVs entwickelt maxon weiterhin integrierte Antriebe und hat dieses Angebot mit der Veröffentlichung des IDX 70 erweitert. Die kompakten Antriebe IDX70 können einfach online konfiguriert werden und bieten in Kombination mit dem 70-mm-Getriebe GPX70 ein Spitzendrehmoment von bis zu 87,5 Nm.

Umeno: Kollmorgen hat viele Automatisierungslösungen für die Produktion von Batterien für Elektrofahrzeuge bereitgestellt. Unser Erfolg und unsere Expertise bei der Unterstützung des großen bestehenden asiatischen Marktes werden genutzt, um Produktionen in Europa und Nordamerika zu unterstützen. Der Beschichtungsprozess ist bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung. Um die Anforderungen der Hersteller an eine hohe Ausbeute zu erfüllen, vertrauen die Hersteller von Beschichtungsmaschinen auf die Direktantriebstechnologie von Kollmorgen.

Blasch: Jabil hat eine 3D-Kamera der nächsten Generation entwickelt, die sowohl im Innen- als auch im Außenbereich bis zu einer Reichweite von 20 Metern nahtlos eingesetzt werden kann. Jabil, ams OSRAM und Artilux kombinierten ihre proprietären Technologien in den Bereichen 3D-Sensorarchitekturdesign, Halbleiterlaser und Germanium-Silizium (GeSi)-Sensorarrays basierend auf einer skalierbaren komplementären Metalloxid-Halbleiter-Technologieplattform (CMOS), um a zu demonstrieren 3D-Kamera, die im kurzwelligen Infrarot (SWIR) bei 1130 Nanometern arbeitet. Die Kamera arbeitet im kurzwelligen Infrarotbereich (1130 nm) und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis zur Berechnung der Tiefe erheblich. Erstens nutzt die Kamera durch die Ausrichtung auf 1130 nm eine Lücke im Sonnenspektrum der Sonne aus und verringert so das störende Hintergrundrauschen das ToF-Signal. Zweitens kann auch die Stärke des Signals erhöht werden, da die Augenlaser-Sicherheitsschwellen bei 1130 nm höher sind als bei 850 nm oder 940 nm. Das Ergebnis ist eine 3D-Kamera, die auch bei hellem Sonnenlicht betrieben werden kann, einen größeren Betriebsbereich bietet und eine bessere Tiefengenauigkeit bietet.

Die wichtigste Implikation ist, dass Roboterplattformen nicht mehr auf den Innenbetrieb beschränkt sind. Angesichts der hohen Kosten autonomer mobiler Roboter (AMRs) und anderer autonomer Plattformen kommt die Steigerung ihres Nutzens, ihrer Sicherheit und Zuverlässigkeit allen Beteiligten in der Branche zugute. Eine Routenplanung zur Vermeidung von Hindernissen wie Fenstern oder offenen Hallentüren ist kein Problem mehr.

Unser Ziel ist es, in Zusammenarbeit mit vielen Komponentenlieferanten auf dem Markt kostengünstige 3D-Sensoren zu entwickeln, die Gabelstapler, AMRs, landwirtschaftliche Geräte, Plattformen zur Unterstützung des Flugzeugbetriebs und mehr ermöglichen, deren Leistung unabhängig von den Umgebungsbedingungen ist. Der Einsatz von 3D-Kameras bei 1130 nm kann insbesondere zur Kollisionsvermeidung auch auf AGVs installiert werden. Der Einsatz von 1130 nm sollte für AGVs in Betracht gezogen werden, die sich möglicherweise entlang von Laderampen oder zwischen Gebäuden bewegen oder vollständig im Freien betrieben werden möchten.

Gottlieb: Kollmorgen ist ein wichtiger Anbieter von AGVs; Wir verbessern die Effizienz in der Fertigung und Lagerhaltung, ohne nennenswerte Investitionen zu tätigen. Der Markttrend geht zu mehr Direktlieferungen an den Verbraucher, und Lagerverwaltungsstrategien, die durch die effizientesten Tools ermöglicht werden, werden den Gewinnern Marktanteile verschaffen. Kollmorgen Motion Control verkauft auch auf dem Drohnen- und Elektrofahrzeugmarkt. Unsere Produkte erfüllen alle Anforderungen hinsichtlich Direktantriebstechnologie, Antriebsgenauigkeit und -geschwindigkeit sowie einer schnelleren Markteinführung durch beratende Ingenieure.