Bild 1: Hier ein IVT-S mit 20 mm breitem Shunt mit Nickel-Phosphor-Oberfläche

Bild 1: Hier ein IVT-S mit 20 mm breitem Shunt mit Nickel-Phosphor-Oberfläche. (Bild: Isabellenhütte)

Ob in der industriellen Antriebstechnik oder im Automobilsektor – in den letzten Jahren verstärkt sich bei den Applikationen der Trend zu steigender Leistungsverdichtung bei immer kompakteren Aufbauten. Es besteht die Notwendigkeit, das Maximum aus dem jeweiligen System herauszuholen. Dabei geraten die Hersteller an Grenzen, was Parameter wie Leistung, Temperaturen oder mechanische Stabilität angeht. Es gilt, das System bestmöglich auszulegen und gleichzeitig gewisse Grenzbereiche einzuhalten. Mit Blick auf die Automobilindustrie spielt dabei zum Beispiel auch die Gewichtsverringerung durch Materialeinsparungen eine Rolle. Ein Aspekt, der in der Messtechnik immer wieder für Beratungsbedarf bei der Isabellenhütte sorgt, ist die Frage nach der optimalen Anbindung von Shunts an die Stromschienen (Busbars) der Kunden. Denn die Kunden sehen sich mit drei zentralen Herausforderungen konfrontiert: der Entstehung von Übergangswiderständen, einem möglichen Wärmefluss und Elektrokorrosion.

Shunttechnologie – präzise und kompakt

Eck-daten

Kostengünstige blanke Kupfer-Shunts, langlebige Shunts mit Nickel-Phosphor-Veredelung, der Einsatz von Unterlegscheiben, besonders breite Shunts oder eine verzinnte Oberfläche der Stromschienen – es gibt viele zu beachtende Einflussfaktoren bei der Kombination von Strommesswiderstand und -schiene. Die Isabellenhütte gibt im Beitrag anhand exemplarischer Messungen den verschiedenen Materialkombinationen eine Orientierungshilfe für die richtige Material-Auswahl.

Grundsätzlich kommt die Shunttechnologie den hohen Anforderungen an Integrationsfähigkeit, Kompaktheit und Präzision der Stromerfassung sehr entgegen, kann sie in allen Bereichen doch besonders punkten. Shunts lassen sich sehr kompakt und auf die individuelle Kundenapplikation angepasst verbauen und zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit aus. Sie erlauben die einfache Stromerfassung über einen Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz: U = R · I. Die am Widerstandselement abfallende Spannung wird gemessen und steht in linearem Zusammenhang zur Änderung des durch den Widerstand fließenden Stroms. Jedoch beschreibt die Formel, umgestellt auf den Widerstandswert R = U/I, einen in der Anwendung nicht zu erreichenden Idealzustand. Tatsächlich ist der Widerstandswert von vielen weiteren Faktoren abhängig wie Zeit, Spannung, Thermik, Offset, Drift und auch den in diesem Fall relevanten Aspekten Temperaturgang und Thermospannung.

 

Wie Übergangswiderstände entstehen und was der Wärmefluss dazu beiträgt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Entstehung von Übergangswiderständen

Durch die Verschraubung von Shunts auf einer Stromschiene entsteht eine Übergangsstelle, die thermische Verluste produziert und damit zu fehlerhaften Messergebnissen führen kann. Außerdem haben Übergangswiderstände beziehungsweise thermische Verluste einen negativen Einfluss auf das thermische Systemdesign, das bei immer kompakteren Systemen eine erhebliche Rolle spielt. Bei nicht optimal ausgelegten Systemen kann dies dazu führen, dass eine Entwärmung notwendig wird.  Das Ziel ist, diese Effekte bei der Verschraubung möglichst gering zu halten. Ein nicht zu unterschätzender Faktor dabei ist die jeweilige Materialkombination des Shunts und der Stromschiene. Je nach gewählten Werkstoffen sind Übergangswiderstände von wenigen µΩ möglich, aber im ungünstigen Fall auch von 200 bis 300 µΩ. Bei unpassenden Materialkombinationen und je nach Breite der Shunts können die Übergangswiderstände sogar höher als der eigentliche Messwiderstand sein. Das fällt gerade bei niederohmigen Shunts besonders ins Gewicht.

Wärmefluss aufgrund inhomogener Erwärmung

Ein weiterer ungünstiger Faktor ist die Entstehung eines Wärmeflusses durch den Shunt aufgrund einer inhomogenen Erwärmung der Messstelle, der thermische Verluste und damit einhergehend ungünstige Thermospannungen zur Folge haben kann. Wenn beispielsweise die Verbindung auf der rechten Seite des Shunts schlechter ist als auf der linken, entsteht dadurch an der rechten Verbindungsstelle eine höhere Verlustleistung. Automatisch findet dann ein Wärmeausgleich statt und ein Wärmefluss entsteht. Die Materialkombinationen und Widerstandslegierungen der Isabellenhütte zeichnen sich zwar durch eine sehr geringe Thermospannung gegenüber dem Standardmaterial Kupfer aus, dennoch ist diese durchaus messbar. Je größer das Temperaturdelta und der Wärmefluss ausfallen, desto stärker wird die entstehende Thermospannung, die wiederum Messfehler hervorruft.

Korrosion durch direkten Kontakt vermeiden

In Bezug auf den Korrosionsaspekt ist zu beachten, bestimmte Materialien wie zum Beispiel einen blanken Kupfer-Shunt und eine Aluminium-Stromschiene nicht direkt miteinander zu verbinden, um Korrosionsvorgänge zu vermeiden. Dies würde über die Zeit zu Fehlstellen in der Stromschiene führen. Gerade im Automobilsektor ist Aluminium ein gefragtes Material, um weiteres Gewicht einzusparen. Die Lösung kann eine Oberflächenveredelung sein, um die korrosiven Materialien zu trennen.

Die Isabellenhütte hat mehrere Tests unter Laborbedingungen durchgeführt, um zu ermitteln, welche Vor- und Nachteile sich bei verschiedenen Oberflächenkombinationen in Bezug auf oben genannte Effekte ergeben.

 

Übergangswiderstände lassen sich durch Oberflächenveredelung beeinflussen. Wie dies im Detail aussieht, zeigt der Beitrag im Folgenden.

Übergangswiderstand reduzieren

Tabelle 1: Bei Verwendung einer ISAcon-Schraube konnte eine deutliche Reduzierung des Kontaktübergangswiderstands erreicht werden. ISAcon ist eine Kupferbasislegierung der Isabellenhütte, die sich durch eine hohe Leitfähigkeit und damit einen geringen Kontaktwiderstand auszeichnet.

Tabelle 1: Bei Verwendung einer Isacon-Schraube ließ sich eine deutliche Reduzierung des Kontaktübergangswiderstands erreichen. Isabellenhütte

Tabelle 2: Unterschiedliche Oberflächen und ihre spezifischen Eigenschaften als Orientierungshilfe bei der Materialauswahl.

Tabelle 2: Unterschiedliche Oberflächen und ihre spezifischen Eigenschaften als Orientierungshilfe bei der Materialauswahl. Isabellenhütte

Um es vorweg zu nehmen: Die Ergebnisse der Untersuchungen weisen nicht eine bestimmte Materialvariante als die beste für sämtliche Zwecke aus. Es kommt stets auf die spezifische Kundenapplikation und zahlreiche weitere Einflussfaktoren an, wie die Breite der Shunts und Stromschienen, die Schichtdicken der Oberflächenveredelungen, die Durchmesser der Schrauben sowie das verwendete Material, das Anzugsdrehmoment (bei zu geringem Anzugsdrehmoment kann der Kontaktübergangswiderstand steigen) oder die Verwendung von Unterlegscheiben. Durch Verwendung einer Isacon-Schraube wurde eine deutliche Reduzierung des Kontaktübergangswiderstands erreicht. Isacon ist eine Kupferbasislegierung der Isabellenhütte, die sich durch eine hohe Leitfähigkeit und damit einen geringen Kontaktwiderstand auszeichnet. Tabelle 1 zeigt die exemplarisch gemessenen Kontaktübergangswiderstände, Tabelle 2 stellt die daraus zu ziehenden Schlüsse über die Eigenschaften der bei der Isabellenhütte am häufigsten verwendeten Oberflächenveredelungen für Shunts dar.

Kantenbeschichtung

Bild 1: Hier ein IVT-S mit 20 mm breitem Shunt mit Nickel-Phosphor-Oberfläche

Bild 1: Hier ein IVT-S mit 20 mm breitem Shunt mit Nickel-Phosphor-Oberfläche. Isabellenhütte

Nickel-Phosphor ist die Oberflächenbeschichtung der meisten Standardprodukte im Bereich Messtechnik (Isascale) der Isabellenhütte (Bild 1). Daneben werden auch Shunts aus blankem Kupfer gefertigt, sowie Shunts mit verzinnter Oberfläche – in Einzelfällen auch mit Silber- oder Goldbeschichtung. Shunts mit Nickel-Phosphor-Veredelung zeichnen sich durch rundum beschichtete Kanten aus. Dagegen sind die Kanten bei verzinnten Shunts nicht beschichtet. Für den Übergangswiderstand sind jedoch weniger die unveredelten Kanten relevant, da die breite Fläche der Shunts für den Übergangswiderstand entscheidend ist. Bei reinen Kupfer-Shunts entfällt dieser Aspekt mangels Beschichtung. Allerdings erhalten Kupfer-Shunts bei der Fertigung einen Anlaufschutz, um eine allzu schnelle Oxidation zu vermeiden. Dieser Anlaufschutz ist jedoch keine Gefahr für eine Erhöhung des Übergangswiderstands, da ersterer durch den Anpressdruck beim Aufschrauben auf eine Schiene bereits durchbrochen wird.

 

Auf der kommenden Seite gibt die Isabellenhütte eine Orientierung bei der Materialauswahl für die Oberflächenbeschichtung.

Harte und weiche Oberflächen kombinieren

Ein sehr relevanter Aspekt für die Entstehung von Übergangswiderständen ist die Oberflächenfestigkeit der Shunts. Nickel-Phosphor ist eine recht harte Veredelung, während reines Kupfer weich ist und die Veredelung mit Zinn eine besonders weiche Oberfläche darstellt. Die erste Tabelle mit den exemplarisch erfassten Messwerten zeigt, welche Materialkombinationen sich diesbezüglich als nachteilig entpuppen. Wenn die Stromschiene genau wie der Shunt aus einem recht harten Material gefertigt ist, beispielsweise ebenfalls Nickel, ließen sich Übergangswiderstände von über 100 µΩ feststellen. Eine Kombination aus harten Oberflächen führt also zu einem deutlich erhöhten Übergangswiderstand. Mit verbesserter Konstruktion durch die Verwendung einer Isacon-Schraube ließ sich der Übergangswiderstand bereits in den Bereich von 10 bis 50 µΩ senken (Bilder 2 und 3).

Bild 2: Ein Shunt ohne Oberflächenveredelung in Verbindung mit einer Busbar aus Kupfer (beim Versuch durch einen weiteren Shunt ohne Oberflächenveredelung dargestellt) ergab einen Übergangswiderstand im Bereich von <10 bis 50 µOhm.

Bild 2: Ein Shunt ohne Oberflächenveredelung in Verbindung mit einer Busbar aus Kupfer (beim Versuch durch einen weiteren Shunt ohne Oberflächenveredelung dargestellt) ergab einen Übergangswiderstand im Bereich von unter 10 bis 50 µOhm. Isabellenhütte

Bild 3: Die Kombination aus Shunt mit Nickel-Phosphor-Oberfläche und Busbar aus gleichem Material (beim Versuch durch einen weiteren Shunt mit Nickel-Phosphor-Oberfläche dargestellt) erzielte durch Verwendung einer ISAcon-Schraube und -Unterlegscheibe einen geringeren Übergangswiderstand im Bereich von 10 bis 50 µOhm. Shunts

Bild 3: Die Kombination aus Shunt mit Nickel-Phosphor-Oberfläche und Busbar aus gleichem Material (beim Versuch durch einen weiteren Shunt mit Nickel-Phosphor-Oberfläche dargestellt) erzielte durch Verwendung einer Isacon-Schraube und -Unterlegscheibe einen geringeren Übergangswiderstand im Bereich von 10 bis 50 µOhm. Isabellenhütte

Der Übergangswiderstand fällt noch niedriger bei Kombination einer harten mit einer weichen Oberfläche aus. Wenn der Kunde also eine Nickelschiene verwendet, würde ein Shunt aus Kupfer oder ein verzinnter Shunt Sinn machen. Häufiger tritt jedoch der Fall auf, dass Kunden der Isabellenhütte Zinnschienen verwenden oder auch verzinnte Aluminiumschienen. Dafür eignet sich der NiP-Shunt gut. Die niederohmigste Variante wäre eine Zinn-Zinn-Verbindung. In einem kritischen Anwendungsfall sollte die Wahl eher auf eine „Weich-Weich“-Kombination fallen als auf ein härteres Material. Dennoch lassen sich auch bei einer „Hart-Weich“-Kombination die Übergangswiderstände in einen akzeptablen Bereich reduzieren. Dazu kommen noch weitere Einflussfaktoren wie die Breite der Shunts. Kamen statt Shunts mit einer Breite von 20 mm solche mit einer Breite von 36 mm zum Einsatz, ergab die gleiche Materialkombination geringere Übergangswiderstände. Nicht zu unterschätzen ist zusätzlich das Anzugsdrehmoment der verwendeten Schraube. Die Empfehlung der Isabellenhütte ist ein Wert von 15 Nm für die Befestigung einer M8-Schraube. Eine zu lockere Befestigung erhöht den Übergangswiderstand.

 

Weitere Stragegien zur Verringerung des Übergangswiderstands finden Sie auf der nächsten Seite.

NiP-Shunts langlebig und oxidationsfrei

Ein wichtiger Aspekt, nicht zuletzt für die Lagerung der Shunts, ist das Oxidationsrisiko, das bei reinen Kupfer-Shunts am größten ist. Wenn diese nicht hermetisch verpackt sind, laufen sie schnell an und sind ohne erneute Oberflächenbehandlung nicht direkt verwendbar. Die geringste Oxidationsgefahr besteht bei Shunts mit Nickel-Phosphor-Veredelung. Das ist nicht zuletzt der Grund dafür, warum die Isabellenhütte diese als Standardprodukt fertigt. Sie sind besonders langlebig und ihre Eigenschaften verschlechtern sich auch bei längerer Lagerung nicht. Die verzinnte Oberfläche oxidiert ebenfalls, allerdings nur geringfügig und eine entstandene Oxidationsschicht lässt sich auch leicht wieder durchbrechen. Des Weiteren ist bei einer verzinnten Oberfläche eine Diffusionsbarriere in Form einer Nickel-Sperrschicht notwendig.

Zu betrachten sind neben den Vor- und Nachteilen für die Anwendung auch die Prozesskosten bei der Herstellung. Grundsätzlich ist die Oberflächenbearbeitung am Einzelstück kostenintensiver als die Veredelung ganzer Werkstoffbänder.

Verzicht auf Übergangsstellen

Abgesehen von der Auswahl der bestmöglichen Materialkombination zwischen Shunt und Stromschiene bietet die Isabellenhütte auch die Möglichkeit, Übergänge so weit wie möglich zu reduzieren. Dabei kommen relativ lange und komplex gebogene Shunts zum Einsatz, die gewissen Geometrien in der Applikation angepasst werden, um so die Stromschiene an sich und damit auch Schraub- und Übergangsstellen komplett einzusparen.

Benjamin Seel

Benjamin Seel
Manager R&D Precision Measurement bei Isabellenhütte Heusler

Andreas Winterholler

AndreasWinterholler
Produktmanager im Bereich strategische Produkte bei Isabellenhütte Heusler

(na)

Kostenlose Registrierung

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?

Unternehmen

Isabellenhütte Heusler GmbH KG

Eibacher Weg
35683 Dillenburg
Germany