Steckverbindungen für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Bild 1: Hochvolt-Stecker und Header. Dräxlmaier

Auch bei der Entwicklung von Elektro- und Hybridfahrzeugen der zweiten Generation sind Automobilhersteller und Zulieferer mit großen Herausforderungen konfrontiert. Insbesondere die Anforderungen an die Serientauglichkeit von Schnittstellen und Komponenten sind trotz einer Vielzahl bestehender Lösungen oft nur schwer zu bewältigen. So setzt etwa die Entwicklung von Hochvolt-Komponenten ein umfassendes Know-how über das Gesamtsystem eines Niedervolt-Bordnetzes, dessen Qualifizierung und Integration voraus. Ähnliches gilt für die Entwicklung von serienreifen Hochvolt-Steckverbindern, für die jahrelange Erfahrung in der Serienentwicklung von Niedervolt- und Hochvolt-Bordnetzsystemen sowie Komponenten eine optimale und zugleich notwendige Ausgangsbasis sind.

Neues Leistungsniveau sichern

Bei Spannungen bis zu 1000 V und hohem Gleichstrom müssen der Hochvolt-Stecker und der dazugehörige Header höchsten Sicherheitsanforderungen genügen. Um das Entstehen von Lichtbögen zu verhindern, sind die notwendigen Kriechstrecken schon beim Steckerdesign einzuhalten.

Bild 2: Dreipoliger Hochvolt-Stecker. Dräxlmaier

Die Entwicklungsarbeit hört jedoch bei der Verwirklichung von geringem Bauraum und Gewicht sowie der vollen Funktionalität in einem Temperaturbereich von -40 bis +170 °C bei weitem noch nicht auf. Im Gegenteil: Die Stecker müssen auch noch absolut wasserdicht sein und dürfen nur minimale elektromagnetische Emissionen aufweisen. Da sich jedoch die Ein- und Abstrahlung nur durch die richtige Schirmanbindung reduzieren lässt, spielt die Weiterentwicklung von gängigen Kontaktierungsverfahren eine besonders wichtige Rolle.

Neben der Art der Kontaktierung am Aggregat bestimmt auch die Auslegung der Hochvolt-Steckverbindung die Grenzen der elektromagnetischen Verträglichkeit gemäß der Liefervorschrift 214/215. Ein weiteres wichtiges Kriterium für eine qualitativ anspruchsvolle Lösung ist die Stromtragfähigkeit der Verbindung. Je höher der Wert, desto besser sind die einzelnen Bauteile im HV-Stecker aufeinander abgestimmt und ausgelegt.

Bei der Entwicklung einer HV-Steckverbindung unterscheidet man zwischen ein- und mehrpoligen sowie geraden und gewinkelten Lösungen. Entsprechend ihrem Einsatzbereich im Fahrzeug hinsichtlich Schnittstelle und Bauraum finden verschiedene Steckerkonzepte ihre Anwendung. Neben den beschriebenen Anforderungen spielt im Entwicklungsprozess der Kostenfaktor eine wesentliche Rolle.

Voraussetzungen für die Marktdurchdringung

Für die erfolgreiche Industrialisierung der Komponenten wird die Umsetzung folgender Leistungsmerkmale ausschlaggebend sein: So müssen die Bauelemente eine Dauerstromtragfähigkeit von

280 A bei 23 °C beziehungsweise von 195 A bei 83 °C aufweisen, während der Schirmwiderstand nach Alterung (über das System) unter 2 mΩ betragen muss. Darüber hinaus sind nicht nur die AK-Schnittstellenkompatibilität und bis 200 MHz eine EMV-Abschirmung von 70 dB erforderlich sondern auch der Einsatz von Alu- und Kupfer-Leitungen mit Querschnitten von 16 bis 50 mm².

Bild 3: Dreipoliges Hochvolt-Steckverbindungssystem. Dräxlmaier

Als besonders vorteilhaft erweisen sich geringe Übergangswiderstände an der Schirmung und am Lastleiter. Schließlich erfüllen HV-Stecker mit einem Schirmwiderstand, der kleiner als 2 mΩ ist, die Voraussetzungen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit optimal.

Geringe Übergangswiderstände am Lastleiter tragen zu einer besseren Stromtragfähigkeit bei und führen dazu, dass sich der Stecker in einem geringeren Ausmaß erwärmt. In der bereits bestehenden Vielfalt von Lösungen werden sich im Querschnittbereich von 16 bis 50 mm² jedoch nur Hochvolt-Stecker durchsetzen, bei denen sich die geringen Übergangswiderstände auch mit Aluminum-Leitungen darstellen lassen, während sie gleichzeitig im Bereich von -40 bis +170 °C temperaturbeständig sind.

Die bestmögliche Schirmanbindung gewährleisten Hochvolt-Header, die über eine geschlossene 360º-Kontaktierung verfügen. Eine altersbeständige Verbindung mit dem jeweiligen Aggregat birgt weitere Vorteile, denn genau hier kann eine Schwachstelle entstehen, die sich auf das ganze HV-Bordnetz negativ auswirkt. Bei entsprechender Gestaltung des Systems kann der Kontaktpin zudem in vorgeschalteten Montageprozessen auf unterschiedliche Weise konfektioniert werden.

Verarbeitung von Aluminiumlitzen

An die Anschlusstechnik zur Verbindung des Leiters der Hochvolt-Leitung mit dem entsprechenden Kontaktelement im Stecker stellen die Anwender neben optimalem Leitwert, Alterungsbeständigkeit und kostengünstiger Herstellbarkeit zwei weitere, entscheidende Anforderungen, nämlich minimale Baugröße und Aluminium-Kompatibilität.

Elektrische Leiter auf Aluminiumbasis sind ein wichtiges Element zur Erreichung von Leichtbau- und Kostenzielen in der Fahrzeugelektrik und werden künftig viele Neuentwicklungen auf diesem Gebiet mitbestimmen.

Kurze, elektrisch hochwertige und langzeitstabile Leiteranschlüsse sind mit stoffschlüssigen Leiteranschlusstechniken optimal realisierbar, da über die Lebensdauer keine Kontaktnormalkräfte innerhalb der Litze aufrechterhalten werden müssen. Ultraschallschweißen ist für Litzen aus Aluminiumdrähten besonders vorteilhaft, da deren natürliche Oxidschicht ohne weitere Maßnahmen während des Schweißvorgangs durch die Reibungskräfte durchbrochen wird.

Die Leiteranschlusszonen für diese Schweißverbindungen sind geometrisch durch plane Flächen denkbar einfach. Räumt aber das Verschweißen von Kupferlitzen dem Konstrukteur einen noch vergleichsweise großen Spielraum bei kupferbasierten Leiteranschlüssen ein, stellen Aluminiumlitzen trotz optimierter Herstellprozesse hier hohe Ansprüche. Werkstoff und Oberfläche des Leiteranschlusses können jedoch für eine Absenkung des für eine hochwertige Verschweißung mit der Litze erforderlichen Energieeintrags sorgen, sodass die Aluminiumdrähte ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften in geeigneter Form behalten.

Leiteranschlusstechniken

Für große Kupferlitzenquerschnitte ab 50 mm² steht als alternative Leiteranschlusstechnik das Widerstandshartlöten zur Verfügung, das im Vergleich zum Ultraschallschweißen noch schmälere Schweißzonen ermöglicht und in der Folge auch weniger Bauraum beansprucht; für Aluminiumlitzen ist der Einsatz dieser Technik jedoch ungeeignet.

(av)