Stromverbindungen in Hybrid- und E-Fahrzeugen

Die ständige Weiterentwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen wird eine Verbesserung der Leistung und Effizienz von Wechselrichtern, Bordladegeräten, Batterien und Traktionsmotoren beinhalten. Bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Gewicht und Reichweite. Daher sind Automobilhersteller (OEM) bestrebt, alle Bestandteile ihrer Fahrzeuge, einschließlich der Antriebsstränge, leichter und kompakter zu machen.

E-Mobility: Laden

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Mit der Weiterentwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen wurden deren elektrische und elektronische Systeme umfangreicher, komplizierter und schwerer. Automobilhersteller haben sich mit diesem Problem beschäftigt und bevorzugen in letzter Zeit die Verwendung von Stromschienen gegenüber herkömmlichen Verkabelungssystemen.

Sammelschienen können auf viele verschiedene Arten konfiguriert werden, und die Präferenzen für mechanische Konstruktionen, Leitermaterialien und Isolationsmethoden variieren zwischen den OEMs. Dieser Artikel beleuchtet die Komplexität der Konstruktion von Stromsammelschienen und erörtert, wie OEMs die hochmodernen Verbindungslösungen von ENNOVI nutzen, um Größe und Gewicht zu reduzieren, Leistung und Zuverlässigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten zu senken.

Stromschienen für die Automobilindustrie

Die von uns angebotenen Stromverbindungsprodukte reichen von sehr kleinen Einpressstiften bis hin zu Stromschienen mit einer Länge von bis zu zwei Metern. Bei all diesen Produkten handelt es sich um anpassbare Lösungen, die OEMs die volle Freiheit geben, die elektronischen/elektrischen Systeme in ihren Fahrzeugen nach Bedarf zu konfigurieren.

Das Design von Batteriepacks ist ein bemerkenswertes Beispiel, das zeigt, warum diese Flexibilität erforderlich ist. Das Batteriepack entwickelt sich nicht nur hinsichtlich der Abmaße, sondern auch hinsichtlich der grundlegenden Konfiguration des Batterien weiter. Batteriepakete verschiedener OEMs können aus 8, 10 oder sogar 12 Modulen bestehen. ENNOVI arbeitet eng mit Automobilherstellern und deren Batterieherstellern zusammen, um maßgeschneiderte Zell- Kontaktierungssysteme für zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen zu entwickeln.

Die alternative Elektroisolierung

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Stromschienen-Beschichtungsverfahren für Elektrofahrzeuge

Die Elektroisolation stromführender Elemente wie Stromschienen in einem Elektrofahrzeug ist zwingend erforderlich. Da die anliegenden Nennspannungen hoch sind, stellt die Isolation einen besonders wichtigen Sicherheitsaspekt dar.Hier erfahren Sie, warum die Elektroisolation stromführender Elemente wie Stromschienen in einem Elektrofahrzeug zwingend erforderlich ist.

Das zwang die Anbieter von Verbindungslösungen bereits zur Flexibilität, doch jetzt stellt die Branche von modularen Batteriepacks auf Cell-to-Pack- (C2P) oder Cell-to-Chassis-Designs (C2C) um – die natürlich von OEM zu OEM unterschiedlich sind – und alle Verbindungen ändern sich erneut.

Früher gab es viele Module, und daher viele kleine Stromschienen von jeweils wenigen Zentimetern Größe. Mit der Umstellung der Batteriekonstruktionen auf C2P oder C2C wurden diese Sammelschienenkonstruktionen erweitert. Einige haben eine Länge von bis zu zwei Metern erreicht. Deshalb passt ENNOVI seine Prozesse an und nutzt seine firmeninternen Designkapazitäten, um diese größeren Sammelschienen herzustellen.

Welche Sammelschienenvarianten gibt es?

Die in Hybrid-Elektrofahrzeugen verwendeten Sammelschienenlösungen ähneln denen vollelektrischer Fahrzeuge, es gibt jedoch Unterschiede. Die Größe der Batterie in einem Hybridfahrzeug ist viel kleiner, ebenso wie der Elektromotor, was natürlich Auswirkungen auf die Stromschiene hat, die kleiner sein kann und über wenige Verbindungen verfügt.

Die Unterschiede von einem OEM zum nächsten erstrecken sich weiter auf die Materialauswahl und die projektspezifische Merkmale, was die Herstellung natürlich erschwert. Einige OEMs fügen den Sammelschienen Funktionen hinzu; Ein Beispiel sind zusätzliche Stromsensoren.

Der Ansatz eines OEMs könnte darin bestehen, nur starre Stromschienen zu verwenden, ein anderer könnte es vorziehen, nur flexible Stromschienen zu verwenden. Dies hat Auswirkungen auf die Materialwahl. Einige OEMs spezifizieren Aluminium und andere Kupfer, obwohl es Anzeichen dafür gibt, dass die Industrie aufgrund des Gewichtsvorteils auf Aluminium standardisieren könnte. Es gibt auch Gründe, Kupfer und Aluminium zu kombinieren, auf die wir später noch eingehen werden.

Hybrid- und Elektroantriebsstränge müssen häufig gekühlt werden, ebenso wie gasbetriebene Fahrzeuge gekühlt werden müssen, aber gelegentlich müssen Teile des Elektrofahrzeugs tatsächlich beheizt werden. Daher ist das Wärmemanagement in Hybrid- und Elektrofahrzeugen bereits komplex, aber wenn OEMs die Größe von Wechselrichtern, DC/DC-Wandlern und Bordladegeräten reduzieren, wird das Wärmemanagement noch komplexer und wirkt sich sogar auf die Stromschienen aus.

Die Industrie untersucht, wie verschiedene Polymere und Harzmaterialien auf diese neuen thermischen Belastungen reagieren. Es werden fortlaufend Materialtests durchgeführt, um die langlebigsten und zuverlässigsten Materialien zu ermitteln.

Für die Isolierung von Sammelschienen zum Schutz vor elektrischem Schlag, Feuchtigkeit und Vibration gibt es weitaus mehr Auswahlmöglichkeiten an Materialien – und die OEMs sind sich weit weniger einig, welche Materialien verwendet werden sollen, insbesondere wenn es um die neueren C2P- und C2C-Konfigurationen geht. Einige OEMs bevorzugen die Verwendung einer Epoxid-Pulverbeschichtung, andere bevorzugen wärmeschrumpfendes Wickelband. Einige OEMs fordern eine umspritzte oder extrudierte Stromschienenisolierung.

Die Auswahl endet hier nicht. OEMs können aus einer Vielzahl von Steckverbindern wählen, angefangen beim Batterieanschlusskasten. Diese Einheit verwaltet die Verbindungen vom Batteriewechselrichter und dem Ladesystem, fungiert als Gateway und verteilt den Strom an die Hochspannungssysteme im Fahrzeug. Übrigens verwendet der Batterieanschlusskasten noch einen anderen Typ von Stromschienen, obwohl diese relativ einfach und ohne Isolierung sein können.

Warum ist Wärmemanagement bei E-Fahrzeugen so komplex?

Unabhängig davon erhöhen OEMs schrittweise die Spannung ihrer Batteriepakete, einige auf 800 V, andere darüber hinaus, um den Fahrzeugbesitzern ein schnelleres Laden zu ermöglichen. Der Wechsel zu einer höheren Spannung wirkt sich auf die Sammelschiene aus. Eine Erhöhung der Spannung verringert den Strom, aber eine höhere Spannung hat auch Auswirkungen auf die Wahl des Isolationsmaterials.

Schneller laden dank starrer Stromschienen

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So lassen sich die Wartezeiten an der Ladesäule verkürzen

Ein weiterer Schritt, die Akzeptanz von Elektroautos zu steigern: Mit der Integration starrer Stromschienen, sogenannte Busbars, in das Hochvolt-Bordnetz lassen sich Batterien schneller laden – und die Standzeit an der Ladesäule reduzieren.Was ist ein weiterer Schritt, die Akzeptanz von Elektroautos zu steigern? Erfahren Sie mehr!

Wenn wir uns Hybridfahrzeuge ansehen, benötigen diese ebenfalls sehr effiziente Elektromotoren, die hinsichtlich Stromfluss und thermischer Leistung optimiert sind. In der Vergangenheit waren Stromschienen in Hybriden relativ einfach und hatten nur drei Phasen. Mittlerweile werden sie jedoch komplexer, da es eine zusätzliche Phase zur Verwaltung der Induktivität gibt.

Weitere Details über Sammelschienen

Vibrationen sind für Kraftfahrzeuge ein existenzieller Zustand. Um Vibrationen auszugleichen, schreiben einige OEMs den Einsatz flexibler Stromschienen vor. Die Flexibilität dieser Stromschienen hängt von ihrer Größe und den erforderlichen Toleranzen ab. In der Mitte der Stromschiene befindet sich typischerweise der flexible Teil, meist aus sehr dünnen Kupfer- oder Aluminiumschichten, die beidseitig mit den Anschlüssen verschweißt werden.

Bei einigen Elektrofahrzeugen befindet sich an jeder Radnabe ein Elektromotor, bei anderen sind es zwei, die die Vorder- und die Hinterachse antreiben. Typischerweise versuchen OEMs, das Design dieser Elektromotoren zu harmonisieren. Wenn das Fahrzeug also über zwei Motoren verfügt, wird versucht, das gleiche Design und die gleichen Sammelschienen zu verwenden, um die Kosten zu minimieren. Allerdings sind die Durchmesser der Elektromotoren nicht nur innerhalb eines Fahrzeugs, sondern auch von Autohersteller zu Autohersteller sehr unterschiedlich groß (aktuell messen die größten bis zu 280 Millimeter).

ENNOVI-Steckverbindungen

Die Erfüllung dieser vielfältigen Anforderungen erfordert eine individuelle Anpassung von Größe, Form, Signal, Leistung und mehr. Dies erfordert natürlich eine enge Zusammenarbeit in der Entwurfsphase, was in der Praxis bedeutet, dass ENNOVI von Tier 2 zu Tier 1 übergeht. Eine frühzeitige Einbindung, um Know-how an die OEMs zu übertragen, um sie bei der Auswahl der Materialien zu unterstützen und die Parameter zu bestimmen, wo die Sammelschienen oder Stromanschlüsse installiert werden, ist von entscheidender Bedeutung.

Typischerweise beginnt diese Zusammenarbeit mit Zeichnungen, um eine Machbarkeitsstudie des Entwurfs durchzuführen. Über mehrere Iterationen arbeiten wir mit Herstellern zusammen, um ihnen dabei zu helfen, Toleranzen, Materialien und Verbindungen festzulegen und die optimalen Prozesse zu bestimmen. Die Zusammenarbeit setzt sich über die Prototyping-Phase bis hin zur Serienfertigung fort.

ENNOVI (ehemals Interplex) ist seit mehr als 60 Jahren für die Automobilindustrie tätig und unterstützt die Entwicklung von Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen. Die beiden Hauptanwendungsbereiche sind die Leistungselektronik, zu der Wechselrichter, DC-DC-Wandler, Bordladegeräte und Steuerungen gehören, und der Antriebsstrang, zu dem Ladesysteme, Elektromotoren und der Batteriesatz gehören. (bs)