5 große Veränderungen in der Automobilindustrie

Welche neuen technologischen Entwicklungen werden den Entwicklungspfad der Automobilindustrie verändern? 5 Beispiele von Ed Sperling.

In den letzten Monaten hat ein Großteil der Automobilindustrie begonnen, die Produktion zu verlagern und zu kürzen, den geplanten Einsatz vollständig autonomer Fahrzeuge zurückzudrängen und sich auf Energiequellen und Technologien zu konzentrieren, die in Elektrofahrzeugen der nächsten Generation zum Einsatz kommen.

Zusammengenommen bedeuten diese Verschiebungen eine deutliche Abkehr von den traditionellen Autoherstellern, die Unternehmen wie Tesla, Waymo und NIO einholen. Sie beschlossen, nicht zurückzubleiben, und suchten nach Wegen, um die bestehenden Lücken zu schließen.

Die Hauptbereiche sind:

• Entwicklung neuer Brennstoffquellen für die Elektrifizierung, einschließlich Wasserstoffbrennstoffzellen und entfernbarer Hybride von Wasserstoffbrennstoffzellen.
• Einsatz neuer Sensoren und anderer stromsparender Technologien.
• Entwicklung von Festkörperbatterien.
• Eine Verlagerung der Betonung auf zusätzliche Verarbeitung im Auto.
• Grundlegende Änderungen in Geschäftsmodellen implementieren.

All diese Entwicklungen erfordern eine signifikante Erhöhung des Halbleitergehalts, und dieser Trend dürfte sich fortsetzen, da Autos zunehmend so stark elektrifiziert werden, dass sie tatsächlich zu Supercomputern auf Rädern werden. In einem kürzlich veröffentlichten Bericht errechnete KPMG, dass diese Änderungen den Automobilhalbleitermarkt von rund 40 Milliarden US-Dollar ankurbeln könnten. US heute bis zu 150-200 Milliarden Dollar. Die Vereinigten Staaten in den nächsten zwei Jahrzehnten, und diese Zahlen enthalten keine V2X-Infrastruktur oder eine Erhöhung der Anzahl von Werkzeugen und Fertigungsanlagen. ,

Die jüngsten Studien zeigen, dass Elektromotoren innerhalb eines Jahrzehnts Verbrennungsmotoren überholen werden, obwohl ihre Anzahl je nach Region variieren kann. Zusammen mit dieser Umschaltung wird die Anzahl der Mikrokreise erhöht, um zu steuern und zu überwachen, was im Fahrzeug geschieht und wie das Fahrzeug mit der Außenwelt interagiert. Es wird auch geändert, wie viele dieser Fahrzeuge angetrieben werden, wie diese Leistung optimiert, verteilt und im Fahrzeug gespeichert wird und wie und wo die von einer zunehmenden Anzahl von Sensoren erzeugten Daten verarbeitet werden.

"Traditionelle Unternehmen konzentrieren sich jetzt auf Software", sagte Burkhard Hanke, Vice President Automotive bei Synopsys. „Tesla hat vor einigen Jahren erklärt, dass die besten Lösungen nicht für Elektrofahrzeuge verwendet werden. Es wird jetzt passieren. "

Kraftstoff der Zukunft für Autos

Die Fahrzeugelektrifizierung soll in den nächsten Jahrzehnten im Wettbewerb der Automobilindustrie bestehen. Unabhängig davon, ob diese Autos einen Hilfsmotor oder eine Brennstoffzelle verwenden oder mit 100% Batterieleistung betrieben werden, überzeugen Einfachheit, Reaktionsfähigkeit und reduzierte Emissionen eines Elektrofahrzeugs. Der Elektromotor besteht aus ca. 200 Teilen im Vergleich zu ca. 2000 Teilen bei Verbrennungsmotoren, wodurch die Kosten erheblich gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht werden. In dieser Phase erhöht fast jeder Autohersteller den elektronischen Inhalt im Auto, und viele entscheiden sich für Elektromotoren als Hauptantrieb.

Bisher bestand die Herausforderung darin, die Vorteile der Elektrifizierung mit der Benutzerfreundlichkeit in Einklang zu bringen. Eine der Optionen, auf die große Autohersteller - mit Ausnahme von Tesla, NIO und anderen - zunehmend verweisen, ist Wasserstoff, von dem sie behaupten, dass er in den nächsten zehn Jahren mit anderen Kraftstoffquellen konkurrieren wird. Sie behaupten, dass dies einige der größten Probleme mit Elektroautos heute überwinden wird, zum Beispiel, wie weit sie mit einer Ladung fahren können, wie lange es dauert, sie aufzuladen und wie eine Ladeinfrastruktur in weniger besiedelten Gebieten aufgebaut werden kann.

Ladeinfrastruktur und Ladezeit sind zwei offensichtliche Nachteile von Elektrofahrzeugen mit Batterie. Bei unzureichenden Ladegeräten müssen Personen möglicherweise längere Zeit in der Warteschlange stehen. Darüber hinaus hat eine Person, die beispielsweise in einer Wohnung lebt, möglicherweise keinen Zugang zu einer Ladestation. In Gebieten, in denen es zu Stromausfällen kommen kann, ist möglicherweise kein Strom verfügbar, um Fahrzeuge in Notfällen aufzuladen. Dies kann bei Überschwemmungen oder Bränden lebensgefährlich sein.

"Die Batterietechnologie ist nicht für lange Reisen gerüstet", sagte Luc Gear, Technologieanalyst bei IDTechEx. „Was Elektroautos zurückhält, sind die anfänglichen Kosten für Batterien und Ladeinfrastruktur. Etwa 50% der Elektrofahrzeuge in den USA wurden in Kalifornien verkauft. Laut unseren Untersuchungen werden wir im Jahr 2028 den Höhepunkt der Verbrennungsmotoren erreichen und dann den Umsatz senken. “

Autohersteller setzen darauf, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen ein wesentlicher Bestandteil dieser Verschiebung sein werden. Die Idee ist, wasserstoffähnliches Benzin aus neuen oder vorhandenen Tankstellen mit einer Infrastruktur zum Speichern und Bewegen von verflüssigtem Wasserstoff pumpen zu können. Aber es ist nicht so einfach.

„Mit dem FCEV (Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug) erhalten Sie eine hohe Leistung und eine große Reichweite“, sagte Monterey Gardiner, Senior Wasserstoff- und Mobilelektroniktechnologie der BMW Group. „Das Problem ist die zusätzliche Wasserstoffinfrastruktur und die hohen Kosten des Systems. Jetzt müssen wir 500.000 Autos pro Jahr produzieren, um einen wettbewerbsfähigen Preis zu erzielen. “ BMW plant die Einführung einer Brennstoffzelle.

"Wasserstoff macht sprödes Metall", sagte C. Charles Janak, CEO von Arteris IP. „Es gibt drei Möglichkeiten, es aufzubewahren. Eine davon ist kryogen. Die zweite ist die Verwendung von Metallhydriden. Und das dritte ist die Verwendung organischer Materialien. Keiner von ihnen ist zufriedenstellend. “

Es ist auch nicht klar, ob Wasserstoff mit Autos mit schnellerer Batterieladung und einer Laufleistung von bis zu 500 Meilen konkurrieren wird. Und wenn die Ladezeit des Akkus in einer Entfernung von 120 Meilen auf 10 Minuten reduziert werden kann, ist dies für die meisten Fahrer für die meisten Menschen ausreichend.

"Europäische Unternehmen glauben nicht, dass sie mit einem Elektroauto Geld verdienen können", sagte Tom Wong, Marketingdirektor für IP-Design bei Cadence. "Aber wenn Sie die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien deutlich senken können, werden sie den Schnittpunkt erreichen, an dem Elektroautos mit Verbrennungsmotoren konkurrieren können."

Eine Brennstoffzelle ist zumindest vorerst auch teuer. Ein Grund dafür ist, dass dafür Platin benötigt wird, das als Katalysator eingesetzt wird. Derzeitige Forschung umfasst Legierungen aus Platin und Ruthenium, um diese Kosten zu senken. Ein Teil dieser Kosten kann aber auch durch Edelmetallreduzierungen in anderen Bereichen kompensiert werden.

"Platin und Palladium werden derzeit in Katalysatoren für Verbrennungsmotoren verwendet", sagte William Crockett, Vizepräsident von Tanaka Kikinzoku. „Heute schicken wir im wahrsten Sinne des Wortes Katalysatoren nach Japan, um diese Materialien zu recyceln. Diese Kosten werden für Wasserstoffbrennstoffzellen und Elektrofahrzeuge aufgewendet. “

Neue Geschäftsmodelle, neue technologische Ansätze

Mit diesen Änderungen geht die Erkenntnis einher, dass die alte Vorgehensweise nicht mehr funktioniert. Volkswagen kündigte im Juni an, den größten Teil seiner Software selbst zu entwickeln und seinen Anteil bis 2025 von weniger als 10% auf mehr als 60% zu erhöhen. Das Unternehmen plant, mit rund 5.000 Experten ein einziges Betriebssystem für alle seine Marken zu erstellen.

"Sie alle sehen, dass inkrementelle Verbesserungen nicht ausreichen", sagte David Fritz, Senior Autonomic Car Manager von SoC bei Mentor, einem Geschäftsbereich von Siemens. „Um mit Tesla mithalten zu können, benötigen sie unterschiedliche Methoden, Tools und Architekturen. Fast alle Autohersteller sind zu dem Schluss gekommen, dass sie dies nicht mehr tun können. Das große Problem ist jedoch, wie dieser Sprung in Technologie und Fähigkeiten erreicht werden kann. Dies ist das Modell, das Apple zum ersten Mal angewendet hat, als Sie alles, was Sie auszeichnen kann, in die Arbeit einfließen lassen. "

Janak von Arteris IP stimmte zu. "Level 1 werden entweder zu Software-orientiertem Silizium oder haben eine lange Zukunft."

Neue Technologie

All diese Veränderungen haben jedoch eine Renaissance der Innovation ausgelöst. Eine solche Entwicklung beinhaltet die Integration von Sensoren, wobei Logik auf Sensorebene hinzugefügt wird, so dass die Verarbeitung an der Datenquelle und nicht zentral durchgeführt werden kann.

"Einer der neuen Sensoren ist der Trägheitssensor", sagte Fritz. „Wenn Sie die Bremsen betätigen, erwarten Sie, dass das Auto an einem Hang in einem bestimmten Abstand bremst. Dies ist jedoch nicht immer korrekt. Wenn Sie diesen Abstand besser verstehen, können Sie nur dann bremsen, wenn Sie ihn benötigen, Energie sparen und Energie wiederherstellen. “

Dies hat andere Vorteile. Durch die lokale Verarbeitung wird die Zeit, die zum Treffen einer Entscheidung benötigt wird, durch die Datenmenge, die an das zentrale Gehirn des Fahrzeugs gesendet werden muss, erheblich verkürzt. Dies reduziert den Verkabelungsaufwand, das Gesamtgewicht des Fahrzeugs und verbessert die Ladereichweite.

Die Abteilung Adaptive Systemtechnik bei Fraunhofer hat einen Bildsensor eingeführt, der nur wichtige Daten im Bild speichert und verarbeitet, nicht das gesamte Bild. Dies bietet die gleichen Vorteile bei Kameras, bei denen heute die größte Datenmenge erfasst wird.

Ein alternativer Ansatz besteht darin, vorhandene Technologien zu erweitern, um die Anzahl der Komponenten und Systeme zu verringern, die letztendlich für autonomes Fahren benötigt werden. Zum Beispiel wurde LiDAR verbessert, um bei mehr Wetterbedingungen als in der Vergangenheit zu arbeiten, und jetzt kann es auch die Geschwindigkeit messen und Objekte klassifizieren.

Der gleiche Ansatz wird verwendet, um die Energieeffizienz in einem Fahrzeug zu erhöhen, und dies wird besonders deutlich, wenn versucht wird, Rad- oder Nabenmotoren zu verwenden. Anstelle eines Motors, der ein Fahrzeug antreibt, würden also zwei oder vier Motoren vorhanden sein.

Die Idee der Nabenmotoren besteht seit ungefähr einem Jahrhundert, und das große Problem ist die ungefederte Masse - der Teil des Fahrzeugs, der nicht von der Aufhängung getragen wird. Die Verwendung dieses Ansatzes erfordert Änderungen im Fahrzeugdesign, da dies die gesamte Fahrt und das Handling beeinträchtigen kann. Diese Arbeit hat jedoch große Vorteile. Die Motoren sind kleiner und direkt mit dem Rad verbunden. Dies bedeutet, dass weniger Energie benötigt wird, um das Auto vorwärts zu bewegen, mehr Möglichkeiten für die direkte Nutzung der Bewegungsenergie und weniger Gewicht.

Es scheint, dass zumindest einige der vorherigen Probleme gelöst wurden. Hyundai MOBIS Ahn sagte, die Entwicklung sei seit 2011 im Gange, und es wird erwartet, dass die Technologie in den nächsten Jahren kommerzialisiert wird. Es gibt jedoch Hybridversionen dieses Ansatzes, wie das Anfang dieses Jahres eingeführte Citroën-Konzeptauto mit zwei 19_19-Motoren, mit dem 800 km (497 Meilen) geladen und in 20 Minuten zu 80% aufgeladen werden können.



Abb. 1: Citroën 19_19-Konzeptfahrzeug mit Reifen, das Anfang dieses Jahres in Zusammenarbeit mit Goodyear auf der VivaTech-Konferenz entwickelt wurde. Die zentrale Nabe auf Rädern bleibt unbewegt.

Batterien der nächsten Generation

Ein großes Problem bei der Elektrifizierung ist die Speicherung von Energie in einem Fahrzeug. Lithium-Ionen-Batterien sind teuer, schwer und instabil. Die Skalierungstechnologie umfasst mehr Batterien, mehr Gewicht und mehr potenzielle Probleme.

Hier passen Festkörperbatterien. Basierend auf festen Elektroden und Elektrolyten sind sie ohne Brandgefahr viel einfacher zu handhaben.

Derzeit laufen eine Reihe von Forschungsprojekten zu Festkörperbatterien, darunter die von der Deakin University in Australien entwickelte Lithium-Festkörperbatterie. Probleme, die noch gelöst werden müssen, sind eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere bei kaltem Wetter, im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten. Es gab auch Fragen, ob Lithium ausreicht, um alle Elektrofahrzeuge anzutreiben.

"Wir glauben nicht, dass es auf dem Planeten genug Lithium für 1 Billion IoT-Geräte plus Autobatterien gibt", sagte Eric Hennenhofer, Vizepräsident für Forschung bei Arm. "Ein erheblicher Betrag muss aus der Abfallsammlung stammen."

Derzeit arbeitet die Branche daran, dies zu erreichen. Gleichzeitig wird mit steigender Nachfrage mit der Lithiumverarbeitung gerechnet, auch wenn dies noch Jahre dauern kann.

"Die Hauptquelle für Lithium ist in Australien", sagte Crockett von Tanaki. „Die Produktion betrug im vergangenen Jahr mehr als 20 Tonnen. Es gibt auch eine Lithiummine in Nevada (ca. 300 km von der Tesla Battery Factory entfernt) und noch mehr Lithium in Chile, Argentinien und Bolivien, die als „Lithiumdreieck“ bekannt sind. China hat 4 Milliarden US-Dollar in ein Aktiengeschäft investiert, um für seine Elektrofahrzeuge in das Lithium-Dreieck zu gelangen. Sie sehen aber auch, wie Unternehmen wie BMW, Volkswagen und japanische Autohersteller in Festkörperbatterietechnologie investieren. Es werden verschiedene Chemikalien entwickelt. “

Was dies so wichtig macht, ist, dass die Festkörpertechnologie modularer, skalierbarer und kleiner ist. Sie verwendet ein prismatisches Design anstelle eines Zylinders, hält länger und lädt schneller. Sie sind auch einfacher zu ersetzen, sagte Crockett.

Mehr Autodatenverarbeitung

Eine weitere große Änderung betrifft die Datenverarbeitung. Vor einigen Jahren herrschte allgemeiner Konsens darüber, dass 5G so allgegenwärtig sein würde, dass Daten von allen Fahrzeugen mit ausreichender Geschwindigkeit in die Cloud gesendet werden könnten, um die Notwendigkeit einer Verarbeitung an Bord zu vermeiden.

Dies erwies sich aus mehreren Gründen als unhaltbar.

Erstens sind die Signale im Millimeterwellenspektrum für 5G-Signale sehr rauschempfindlich und klingen schnell ab.

Zweitens gibt es zu viele Daten, um sie aus der Cloud hin und her zu senden, und selbst unter den besten Umständen nimmt die Kommunikation zu viel Zeit in Anspruch, um Hindernisse auf der Straße zu vermeiden.

Und drittens werden die Kosten für den Bau und die Wartung eines Repeater-Netzwerks für Tausende von Kilometern Straßen übermäßig hoch sein.

"5G ist eine Verbesserung, aber nicht gut genug, um das Computing auszulagern, insbesondere im Bereich unter 6 GHz ", sagte Scott Jones, Leiter der Halbleitertechnologie bei KPMG. "In der Tat ist einer der Gründe, warum die Möglichkeiten für den Halbleitergehalt so hoch sind, dass 5G nicht gut genug ist."

Dies ist ein Schlüsselfaktor für die Begrenzung des autonomen Fahrens. Die Menge an Rechenleistung, die benötigt wird, um alle möglichen Interaktionen und komplexen Fälle zu lösen, ist riesig und zu teuer, um heute in ein Auto eingebaut zu werden. Die aktuellen Bewertungen liegen im Bereich von drei Supercomputern.

Der zweite Faktor hängt mit der enormen Größe und den enormen Kosten der Rechenressourcen zusammen, die für die Lösung aller möglichen Winkelfälle und die Interaktion mit von Personen angetriebenen und autonomen Fahrzeugen sowie Fußgängern, Radfahrern, widrigen Wetterbedingungen, Schlaglöchern, Spurwechseln usw. benötigt werden.

"Alle Prototypen sind mit Rechenzentren gefüllte Koffer", sagte Robert Day, Director Automotive Solutions bei Arm. „Sie können nicht eingesetzt werden. Sie sind zu groß, zu energieintensiv und zu teuer. Wir fordern von der Firma Server-Chips, die die gleiche Leistung für einen kleinen Bruchteil der Kosten bei verbesserter thermischer Leistung bieten. Wir werden auch nach Hochleistungsprozessoren mit integrierter funktionaler Sicherheit gefragt, was neu ist. Eine weitere Neuheit ist das Consortium of Autonomous Vehicles. Ein Teil der AVCC-Charta ist der Masseneinsatz im Zeitraum von 2025, obwohl die vollständige Autonomie viel später erfolgen wird. Aber was ist neu hier, sie beschlossen, sie würden nicht mit dieser Technologie zu differenzieren. "



Abb. 2: Die Inhaltsmenge und der Halbleiterwert auf jeder Kontrollebene. Quelle: KPMG

Dies stellt eine bedeutende Richtungsänderung dar, da Unternehmen Autonomie als Markenzeichen betrachten. Wenn alle gemeinsam daran arbeiten, wird es zum Standard des Basislevels und tritt schnell in den Markt ein. Dies wiederum erzeugt eine viel größere Nachfrage nach allen Arten von Elektronik.

"Dies ist eine Revolution im Denken unter den Autoherstellern der Big Three (Volkswagen, Toyota und Hyundai)", sagte Synopsys Hunk.„Die Frage ist, gibt es genug Talent, um diesen Job zu erledigen. Das größte Problem ist, dass der Denkprozess anders ist. Es wird einige Zeit dauern. Die Frage ist, wer den Fokus auf den Hardware- und Software-Stack verlagern und ihn erhöhen kann. Dies ist eine neue Schlacht. Die Big Three verfügen über ausreichende finanzielle Ressourcen, um in diese zu investieren, und es gibt viele Kunden auf der ganzen Welt, ganz zu schweigen von vielen Mitarbeitern, deren Arbeit von dieser Arbeit abhängt. Dies wird aber nicht über Nacht geschehen.

Transport als Dienstleistung

Eine weitere große Veränderung betrifft den Einsatz von Fahrzeugen. Die meisten Analysten glauben, dass es erhebliche Möglichkeiten für unterschiedliche Eigentums- und Nutzungsmuster gibt.

"Wir sehen, dass es für die sehr spezifischen Reisen, die Menschen unternehmen, enorme Möglichkeiten für Mobilität als Dienstleistung gibt", sagte KPMG Jones. „Das bedeutet, dass Fahrzeuge in Entfernungen von 50.000 bis 60.000 Meilen pro Jahr eingesetzt werden. Selbst wenn das Auto 120.000 US-Dollar kostet, verdienen Sie in drei Jahren daran, wenn es 50.000 Meilen pro Jahr zurücklegt. Auch in den Rentenbereichen sehen wir großes Interesse daran. Dies ist eine große Chance, selbst bei einer niedrigen Geschwindigkeit von 48 km / h. “

Gear IDTechEx stimmt dem zu und stellt fest, dass dies einen großen Einfluss auf das Nutzungsverhalten von Autos haben wird. "Der Aufstieg des unabhängigen Verkehrs in der Stadt beginnt im Jahr 2025", sagte er. „Es wird jedoch einige Zeit dauern, bis der Startschuss fällt, da die staatlichen Subventionen reduziert und die Beschränkungen der US-Regierung für Autos gelockert werden. Die Subventionen enden nächstes Jahr in China und Norwegen. “

. 2021 , , 95 CO2 / , — 130 / , 2020 , — . , , .

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"Sie sollten Autos der nächsten Generation als Grundriss betrachten", sagte Fritz von Mentor. „Dies ist ein weiterer Weg, um das Problem zu lösen. Du entwirfst also für Level 5 und kommst Schritt für Schritt dorthin. Es scheint, dass viele Unternehmen vom rechten Weg abgekommen sind. “

Fazit

All diese Veränderungen werfen Fragen auf, wie die Automobilunternehmen in zehn Jahren aussehen werden. Werden Tier-1-Unternehmen oder Elektronikunternehmen zu Automobilherstellern oder werden Automobilgiganten zu Chipherstellern und entwickeln ihre eigenen Chips? Im Moment weiß niemand die Antwort. Obwohl Tesla und neue BEV-Startups heute die Führung übernehmen, gibt es keine Garantie dafür, dass alles beim Alten bleibt. Tatsächlich sehen zukünftige Automobilgiganten heute vielleicht nicht mehr wie Autohersteller aus, sondern wie Elektronikhersteller.

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