Eindämmung der Variantenvielfalt

Aufgrund der unterschiedlichen Einsatzbedingungen und Verbauräume im Fahrzeug ist ein breites Spektrum an Leitungen für Hochvolt-Anwendungen notwendig. Für die Auswahl und Dimensionierung der Hochvolt-Leitungen sind insbesondere Aspekte wie Spannungsniveau, Stromtragfähigkeit, elektromagnetische Verträglichkeit, Bauraum und Gewicht relevant.

Alle Bilder: Leoni

Im Traktionsstrang zwischen Hochvolt-Batterie, Leistungselektronik und Elektromotor müssen hohe elektrische Leistungen übertragen werden. Diese erfordern hohe Stromstärken bis zu 250 A und somit entsprechend große Leiterquerschnitte der HV-Leitungen zwischen typischerweise 16 und 70 mm². Durch die engen Bauräume aber auch weil bei der Verlegung Flexibilität erforderlich ist, sind hier überwiegend einadrige geschirmte Leitungen (Bild 2)

Aufbau von Hochvolt-Leitungen (Beispiele).

im Einsatz, die parallel zueinander verlegt werden.

In Fahrzeugen mit Hochvolt-Batterie sind üblicherweise auch Nebenaggregate mit hohem Leistungsbedarf wie zum Beispiel ein elektrisches Klimaaggregat an das Hochvoltbordnetz angeschlossen. Die für Nebenaggregate erforderlichen Stromstärken liegen im Bereich bis zirka 40 A, so dass entsprechend kleinere Leitungsquerschnitte typischerweise zwischen 2,5 und 6 mm² zum Einsatz kommen können. Anders als die Leitungen im Traktionsstrang sind die Versorgungsleitungen der Nebenaggregate meist mehradrig geschirmt ausgeführt. Mehradrige Leitungen können auch mit einen Zwischenmantel über den verseilten Adern ausgeführt sein. (Bild 3)

Bild 3: Prinzipieller Aufbau von Hochvoltleitungen.

Bei Plug-in-Hybriden und Elektrofahrzeugen kommt noch die für das Laden der Hochvoltbatterie aus dem Stromnetz erforderliche Verbindung zwischen fahrzeugseitiger Ladedose, Ladegerät und Batterie hinzu. Die Ladeleitungen sind in der Regel als einadrige geschirmte Leitungen mit Querschnitten um 16 mm² für das Laden mit Gleichspannung und als mehradrige geschirmte Leitungen mit 3 oder mehr Adern bis 6 mm² für das Laden mit Wechselspannung ausgelegt.

Hohe Kosten, weil Standards fehlen

Im Gegensatz zum 12-V-Kabelsatz, bei dem auf eine große Anzahl miteinander kombinierbarer standardisierter Komponenten zurückgegriffen werden kann, gibt es für HV-Komponenten bislang kaum Standards. Die daraus resultierende Variantenvielfalt der Komponenten in Verbindung mit den heute noch vergleichsweise geringen Mengen führt letztlich zu unnötig hohen Kosten. Deshalb müssen schnell praxisgerechte Standards für Schnittstellen und Komponenten geschaffen werden. Allerdings sind extreme Bauraum-anforderungen heute ein häufiges Hindernis für Standardisierung, weshalb immer wieder projektspezifische Lösungen notwendig werden, die in gegebene enge Bauräume integriert werden können.

Bild 1 (oben)

Schnittstelle zwischen Steckverbinder und Leitung

Von besonderem Interesse ist die Standardisierung der Schnittstelle zwischen Steckverbinder und Leitung, um beispielsweise Leitungen mit unterschiedlichen Temperaturklassen oder Leitermaterialien in einem  Verbindungssystem ohne weitere Anpassungen einsetzen zu können. Heute ist oft noch ein Verbindungssystem auf einen Leitungstyp abgestimmt und eine Austauschbarkeit demnach häufig nicht gewährleistet.

Bild 1 Mitte

Bild 1 zeigt ein typisches Beispiel einesHochvolt-Steckverbinders und die Anbindung einer einadrigen geschirmten Hochvoltleitung. Wichtige Schnittstellengeometrien an der Leitung, die im  Rahmen einer Standardisierung mit ihren Toleranzen berücksichtigt werden müssen, sind der Litzendurchmesser, der Außendurchmesser der Primärisolation der Ader, der Durchmesser unter dem Schirmgeflecht, die Geometrie des Schirms sowie der Außendurchmesser des Mantels.

Ein Geometrie-Vorschlag findet sich in ersten Entwürfen von Liefervorschriften von Automobilherstellern wieder und ist als Vorschlag in die ISO-Normung eingebracht.

Bild 1 (unten): Bilder 1: Das HV-Steckverbindersystem von Leoni: Oben im Überblick, darunter Detailansichten von Connector (Mitte) und Header (unten).

Er basiert auf der bestehenden ISO 6722 und allen dort festgelegten Leiterquerschnitten. Dies ist insbesondere wichtig, da sich die eingesetzten Querschnitte regional unterscheiden. So sind beispielsweise in Europa die Querschnitte 25 mm² und 35 mm² gängig, während in Asien und Nordamerika die Querschnitte 20 mm², 30 mm² und 40 mm² sehr viel häufiger anzutreffen sind. Hinzu kommt, dass gerade bei großen Querschnitten der Einfluss auf Bauraumbedarf, Gewicht und Kosten durch kleinere Querschnittssprünge positiv zum Tragen kommt.

Aluminium als Leitermaterial

Wenn ausreichend Bauraum zur Verfügung steht, kann der Einsatz von Aluminium als Leitermaterial wegen seiner sehr niedrigen Dichte und der im langfristigen Vergleich deutlich geringeren Metallkosten eine sinnvolle Alternative zu Kupfer darstellen. Im Vergleich zu Kupfer ist hierbei für eine vergleichbare Stromtragfähigkeit ein größerer Leiterquerschnitt und somit auch ein vergrößerter Außendurchmesser notwendig.

Der Leiteraufbau erfüllt unabhängig davon, ob der Leiter aus Kupfer oder Aluminium ist oder ob es sich gar um einen besonders flexiblen Leiteraufbau mit feinsten Einzeldrähten handelt, gleiche geometrische Anforderungen. Dadurch verringern sich die Varianten des Durchmessers der Litze, der das Crimpverhalten zum Kontakt maßgeblich beeinflusst.

Die Wandstärke der Primärisolation und der Aderdurchmesser sind bestimmend für die Isolationsfestigkeit der Ader. Sie orientieren sich für die Spannungslage bis 600 V AC oder DC unabhängig vom Isolationsmaterial an den Vorgaben für dünnwandige Leitungen aus der ISO 6722.

Schirmdurchmesser als wichtige Größe

Mit dem Durchmesser unter dem Schirm wird ein Maß definiert, das als Vorgabe für die Schirmanbindung und den Schirmcrimp relevant ist. Abhängig vom Durchmesser unter dem Schirm werden auch die Einzeldrahtdurchmesser der Schirmdrähte definiert, so dass sich unabhängig von der Lage der Schirmanbindung klare Geometrievorgaben für die Schirmübergabe zum Steckverbinder ergeben. Die Durchmesser der Schirmdrähte tragen der Forderung nach Robustheit der Schirmübergabe sowohl unter Vibrationsbelastung als auch nach hoher Stromtragfähigkeit des Schirms bei geringen Übergangswiderständen Rechnung.

Für mehradrige Leitungen mit Zwischenmantel über den verseilten Adern sollte sich der Außendurchmesser des Zwischenmantels an den Außendurchmessern der Adern von einadrig geschirmten Leitungen orientieren, um keine unnötigen Varianten beim Schirmdurchmesser zu erzeugen.

Schließlich wurden die Außendurchmesser der Leitungen unabhängig vom Mantelwerkstoff und vom Leitungsaufbau so festgelegt, dass sich – wo technisch sinnvoll – möglichst wenige unterschiedliche Außendurchmesservarianten ergeben. Da zum Schutz vor Feuchtigkeit eine gedichtete Verbindung zum Einsatz kommen muss, führt dies zu einer Reduktion der Dichtelementevarianz. Um außerdem die Auslegung der Dichtung am Steckverbinder zu optimieren, wurde zusätzlich die Toleranz des Außendurchmessers
gegenüber vergleichbaren Normanforderungen deutlich eingeschränkt.

Vorschlag

Der vorliegende Vorschlag bildet ein breites Spektrum an Hochvoltleitungen ab:

• Einadrig geschirmte Leitungen der Querschnitte 1,5 bis 120 mm² (600 V) mit flexiblem oder hochflexiblem Kupferleiter und mit Aluminiumleiter
• Mehradrig geschirmte Leitungen mit 2 bis 5 Adern der Querschnitte 1,5 bis 6 mm² (600 V)
• mit und ohne Zwischenmantel mit Kupferleiter
• Einadrig geschirmte Leitungen der Querschnitte 10 bis 120 mm² (1000 V)

Ausblick: Spannungsklasse 1000 V

Als Grundlage für den Spannungsbereich bis 600 V (DC oder AC) dienen die ISO-Standards 6722 und 14572. In diesem Spannungsbereich sind Isolationswandstärken dünnwandigen Bereich in Fahrzeuganwendungen zulässig. Für Spannungen bis 1000 V gibt es bislang keinen Automobilstandard, der als Referenz dienen kann.

Zudem gibt es im automobilen Umfeld wenig praktische Erfahrung mit höheren Spannungen und insbesondere mit Wechselspannungen. Aus anderen Bereichen, beispielsweise in der Mittelspannungstechnik, ist bekannt, dass hohe und vor allem wechselnde elektrische Felder zu Corona- und Teilentladungseffekten führen können, welche die Lebensdauer der Isolation drastisch verkürzen können.

Ein erster Standardisierungsvorschlag, der in die internationale Normung eingebracht ist, schlägt Isolationswandstärken vor, die im Vergleich zur Spannungsklasse 600 V zu vergleichbaren elektrischen Feldstärken in der Isolation führen. Hierdurch lässt sich das erhöhte Risiko von Teilentladungseffekten unabhängig vom eingesetzten Isolationsmaterial minimieren. Obwohl unter dem Aspekt der Isolationsfestigkeit eine dünnwandige Isolation ausreichend wäre, trägt dies dem erhöhten Risiko von Teilentladungseffekten Rechnung. (av) 

(av)