Herausforderungen bei Stromverbindungen in E-Fahrzeugen lösen

Um sich auf dem Markt besser aufzustellen und sich einen Wettbewerbsvorteil gegenüber der Konkurrenz zu sichern, versuchen Fahrzeughersteller von Elektrofahrzeugen bei ihren Modellen die Effizienz der Antriebsstränge zu steigern. Dadurch sollen längere Strecken zwischen den Ladevorgängen zurückgelegt und die Ladezeiten verkürzt werden: Beides erhöht den Komfort für die Fahrer von Elektrofahrzeugen. Um eine derartige Effizienzsteigerung zu erreichen, bauen die Hersteller von Elektrofahrzeugen heute Leistungsschalter mit breiter Bandlücke ein, die mit höheren Drehzahlen arbeiten können. Gleichfalls erhöhen sie die Spannung des Antriebsstrangs von 400 auf 800 V, um damit verbundene Leistungsverluste zu minimieren. Zudem können besser konstruierte Verbindungskomponenten zwischen dem Akkupack, dem Wechselrichter und dem Traktionsmotor des Fahrzeugs ebenfalls einen wichtigen Beitrag zum Erreichen dieser Effizienzziele leisten.

Verringerung von Größe und Gewicht

Eine weitere Dynamik, die sich derzeit beobachten lässt und die das Design von Elektrofahrzeugen stark beeinflusst, ist die Verringerung von Größe und Gewicht der Systeme. Die nächste Generation von EV mit höherer Leistungsdichte wird mit kleineren und leichteren Wechselrichtern und Ladegeräten ausgestattet sein. Dies wird dazu beitragen, dass sie kostengünstiger werden und ihre Reichweite weiter erhöht werden kann.

Anstelle der herkömmlichen Verkabelung setzen die Automobilhersteller Sammelschienen in EV ein. Dadurch wird die elektrische Leistung erheblich verbessert. Gleichzeitig können dadurch die Montageprozesse vereinfacht werden. Dies wirkt sich positiv auf den Produktionsdurchsatz aus, der sich so erhöhen lässt. Es gibt verschiedene Bereiche, in denen eine Optimierung der Sammelschienenkonstruktion möglich ist.

Während sich die Abmessungen von Kabeln auch aufgrund von Biegungen ändern, haben Sammelschienen feste Abmessungen. Dadurch lässt sich der Montageprozess viel leichter automatisieren. Sammelschienen verkürzen die Montagezeit und die Kosten für das interne Materialhandling, was für die Automobilhersteller von Vorteil ist. Außerdem bieten Sammelschienen mehr Möglichkeiten bei Designentwicklung, Signalunterdrückung und Rauscheliminierung.

Auswahl der Materialien

Es gibt verschiedene Faktoren, die darüber entscheiden, ob Kupfer- oder Aluminiumleiter bei der Sammelschienenkonstruktion zum Einsatz kommen. An Stellen, an denen hohe Temperaturen herrschen, sind die thermischen Eigenschaften von Kupfer von Vorteil. Wärme wird besser abgeleitet und zudem verfügt das Metall über einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK). Aufgrund ihrer besseren Leitfähigkeit können Kupferleiter auch wesentlich kleiner gehalten werden. Deshalb sind sie für den Einsatz in begrenztem Bauraum besser geeignet.

Hat hingegen das Gesamtgewicht des Systems eine höhere Priorität, dann dürften Aluminiumleiter die bevorzugte Option sein. Aluminium hat eine um 70 Prozent geringere Dichte als Kupfer, daher sind Leiter aus diesem Werkstoff in der Regel etwa 50 Prozent leichter als welche aus Kupfer. Außerdem sind sie preiswerter, was sie auch aus Kostensicht interessant macht. Aus diesen Gründen wird Kupfer in der Regel für DC/DC-Wandler-Sammelschienen bevorzugt, während Aluminium für Sammelschienen verwendet wird, welche die Verbindung in Batteriezellen herstellen.

Eine Vielzahl verschiedener Füllmaterialien

Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Füllmaterialien, die zur Isolierung der Sammelschienen verwendet werden können. Dazu gehören Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyphthalamid (PPA). Welches Material sich am besten eignet, hängt von den spezifischen Anwendungskriterien und Betriebsbedingungen ab. Wo beispielsweise hohe Spannungen herrschen, wird wohl die bessere dielektrische Durchschlagsfestigkeit von PPA gefragt sein. Wenn hingegen extrem hohe Stromstärken bewältigt werden müssen, dann bietet PPS hervorragende Isolationseigenschaften. Sowohl der hohe Volumenwiderstand als auch der Isolationswiderstand bleiben bei hoher Luftfeuchtigkeit erhalten. Zudem können die Bauteile leicht dotiert werden, um eine höhere Leitfähigkeit zu erreichen. Dank seiner elektrischen Leitfähigkeit empfiehlt es sich, PPS – entweder p- oder n-dotiert – als antistatische Beschichtung zu verwenden. So können integrierte Schaltkreise vor statischer Aufladung, Feuchtigkeit und Korrosion auf Systemebene rund um die Sammelschiene schützen.

Auch hier haben die Kosten einen Einfluss darauf, welches dieser Materialien gewählt wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Wahl kostengünstiger Materialien Auswirkungen auf die Langlebigkeit haben kann. Auch der Einsatz eines teuren Materials lässt sich rechtfertigen, wenn seine lange Lebensdauer zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten (TCO) führt.

Inkompatibilitäten in Bezug auf die jeweiligen WAK-Werte der einzelnen Materialien sind problematisch, da dies bei Temperaturschwankungen zu Schrumpf-/Dehnspannungen in der Sammelschienenbaugruppe führt. Durch die Wahl von Materialien, deren WAK-Werte besser aufeinander abgestimmt sind, können diese thermischen Spannungen verringert und die Lebensdauer der Baugruppe folglich verlängert werden.

Mechanische Aspekte der Sammelschienenkonstruktion

Neben den Temperaturschwankungen müssen auch die ständigen Vibrationen berücksichtigt werden, die in einer Fahrzeugumgebung auftreten. Um diese beiden Probleme zu bewältigen, müssen entsprechende Mechanismen zur Spannungsentlastung in die Sammelschienenbaugruppe integriert werden.

Unter bestimmten Umständen sind flexible Sammelschienen die beste Option. Diese bestehen aus dünnen, hochleitfähigen Kupferfolien, die an den Montagebereichen durch Molekulardiffusionsschweißen miteinander verbunden sind. Die Kupferfolien können sich gegeneinander verschieben und ermöglichen so eine effektive Stromverbindung, auch wenn die Sammelschiene Vibrationen oder Torsionskräften ausgesetzt ist.

Ein weiterer Aspekt ist, dass Wärmezyklen zur Bildung von Oxidationsschichten auf Kupfer- und Aluminiumleitern führen können. Solche Oxidationsschichten erhöhen den Widerstand der Sammelschiene und mindern ihre Leistung. Sie können außerdem auch ihre Lebensdauer verkürzen. Es gibt jedoch Techniken, die das Auftreten von Oxidation verhindern oder zumindest ihre Auswirkungen abschwächen können. Verschiedene Materialien wie Zinn (Sn), Nickel (Ni) oder Silber (Ag) können auf die Oberfläche des Kupfers aufgetragen werden, um den Oxidationseffekt zu bekämpfen. Da der Grundwerkstoff jeder Sammelschiene aus Kupfer oder Aluminium besteht, können Preisschwankungen die Kosten des Endprodukts erheblich beeinflussen. Außerdem ist zu beachten, dass ausreichende Toleranzen in die Struktur der Sammelschienen eingebaut werden müssen, damit es nicht zu Problemen bei der Montage kommt.

Herausforderungen bei der Isolierung

Es ist von entscheidender Bedeutung, dass ein sinnvolles Gleichgewicht zwischen dem Bedarf an Beschichtungen und Materialien mit hoher dielektrischer Festigkeit und einer guten Kriechstromfestigkeit (CTI) mit Widerstandsfähigkeit gegen extreme Temperaturen getroffen wird. Manchmal können die Innentemperaturen von Sammelschienen die Umgebungstemperaturen übersteigen. Dies kann für die Dielektrika, die in direktem Kontakt mit den Sammelschienen stehen, ein Problem darstellen. Polyesterbeschichtungen haben einen hohen Härtegrad und sind sehr nützlich, wenn chemische und physikalische Beständigkeit erreicht werden soll.

Um die Sicherheit zu gewährleisten, sind die Kriech- und Luftstrecken, die die Sammelschienen aufweisen, ebenfalls von größter Bedeutung. Dies gilt vor allem, da die Sammelschienen immer kompakter werden und die Spannungen, die sie bewältigen müssen, steigen. Aus diesem Grund müssen die in den Sammelschienen verwendeten Materialien und ihre Konstruktion in der Lage sein, diese Faktoren zu berücksichtigen.

Zusätzliche Lagen Isolierfolie auf die Baugruppe aufbringen

Die Kriech- und Luftstrecken können erhöht werden, indem zusätzliche Lagen Isolierfolie auf die Baugruppe aufgebracht werden. Mehrere diskrete Leiter, sowohl in ebener als auch in gestapelter Form, können in eine einzige Baugruppe integriert werden. Dabei können Kriech- und Luftstrecken zwischen leitenden Oberflächen durch Täler und Wände weiter vergrößert werden. Zudem können flach- oder tiefgezogene Kontaktflächen integriert werden, um die ebenen Montageflächen eines direkt auf der Sammelschiene montierten IGBT oder Kondensators aufzunehmen.

Lötfreie Methode zum Verbinden von Sammelschienen

Da Sammelschienen platzsparend sein sollen, gibt es auch technische Herausforderungen hinsichtlich ihrer Befestigung. Aufgrund des begrenzten Bauraums ist das Verschrauben, Schweißen oder Klemmen von Verbindungen an Sammelschienen oft nicht möglich. Auch Lötverbindungen können aus mehreren Gründen problematisch sein. Erstens kommt dadurch ein weiterer, relativ zeitaufwändiger Schritt zum Fertigungsablauf des OEM hinzu: Hier würde ein ansonsten vollautomatischer Prozess durch manuelle Eingriffe unterbrochen werden. Zweitens bedeutet dies, dass die Komponenten innerhalb des Teilsystems Hitze ausgesetzt werden, wodurch die Gefahr ihrer Beschädigung besteht. Dies würde die Produktionsausbeute des OEM senken. Lötmittel können sich auch auf die WAK-Kompatibilität der Sammelschienenbaugruppe auswirken. Mit einer lötfreien Methode zum Verbinden von Sammelschienen lassen sich all diese Probleme vermeiden.

Um weitere Platzeinsparungen zu ermöglichen, werden immer öfter zusätzliche Funktionen auf Systemebene in die Sammelschienenbaugruppen integriert, um andere Aspekte des Fahrzeugbetriebs zu unterstützen. Dazu gehören beispielsweise Filterkomponenten zur Bekämpfung elektromagnetischer Störungen und Stromsensor-Konzentratoren zur Verbesserung der Genauigkeit der Antriebsstrangüberwachung.

Die von Interplex entwickelten komplexen gegossenen Sammelschienen bieten ein optimiertes Design, bei dem die Anforderungen an Kosten, Montageverfahren, Gewicht, Platzbedarf und Leistung sinnvoll miteinander in Einklang gebracht werden.

Vollständig integrierte Systeme

Die Erwartungen des EV-Marktes an die Verbindungstechnik steigen mit der Einführung neuer Modelle, die neue Leistungsgrenzen setzen. Statt einzelner, miteinander verbundener Teilsysteme geht die Industrie nach und nach zu vollständig integrierten Systemen über. Dieser Ansatz trägt nicht nur zur Steigerung der Leistung bei, sondern ermöglicht auch Kosteneinsparungen, da die Anzahl der Teile rationalisiert werden kann. Außerdem können damit die Ansprüche an Größen- und Gewichtsreduzierung erfüllt werden. Aus diesem Grund muss die Integration von Sammelschienen in EV-Antriebsstränge in einem viel früheren Stadium ansetzen. Sie darf nicht mehr nur als Nebenfaktor behandelt, sondern muss als integraler Bestandteil des Designprozesses anerkannt werden. Die mehrlagig gegossenen Sammelschienen von Interplex werden in vielen EV-Modellen eingesetzt. Sie bieten die Zuverlässigkeit, Kompaktheit, Leistung und TCO-Vorteile, die es ermöglichen, die Ziele zukünftiger EV-Antriebe zu erreichen.  (neu)