Wie im 12-V-Bordnetz nimmt auch im Hochvolt-Bordnetz die Zahl der Komponenten durch neue Funktionen stetig weiter zu. Gleichzeitig gilt es die Energieversorgung sowie die Absicherung gegen Kurzschluss dieser Komponenten mit wenigen Versorgungsleitungen und geringem Bauraumbedarf möglichst effizient zu halten.

Zwei verschiedene Verteilkonzepte

Bild 1: Typische Problematik im Fahrzeug: Verteilung von elektrischer Leistung im HV-Bordnetz

Typische Problematik im Fahrzeug: Verteilung von elektrischer Leistung im HV-Bordnetz. Sumitomo

Eckdaten

Die Verteilung elektrischer Leitungen im Hochvolt-Bordnetz kann je nach Anwendungen entweder mit einem HV-Splice oder einer HV-Verteiler-Box erfolgen. Splice bieten sich bei zwei bis vier Leitungsabgängen an, Verteiler-Boxen hingegen bei vielen Lastabgängen. Beide Varianten müssen aber für den Einsatz im Hochvolt-Bordnetz erhöhte Anforderungen an Isolation, elektromagnetische Verträglichkeit sowie Dichtigkeit erfüllen.

Viele Autobauer verwenden deshalb im 12-V-System ihrer Fahrzeuge schon seit langem Verteilerdosen (Sicherungs- und Relaisboxen), was es möglich macht viele Lasten gleichzeitig an die Hauptversorgungsleitung anzuschließen. Bei wenigen und kleineren Verbrauchern kann alternativ auch eine einfache Leitungsverzweigung, ein sogenannter Splice, zum Einsatz kommen. Aufgrund der zusätzlichen EMV-Schirmung und Isolationsschutz lassen sich die beiden Verteilkonzepte jedoch nicht direkt auf das Hochvolt-Bordnetz übertragen.

Sumitomo Electric Bordnetze (SEBN) entwickelt deshalb Lösungen zur Leistungsverteilung im Hochvolt-Bordnetz. Je nach Topologie und Anforderungsprofil können entweder kompakte Hochvolt-Splice mit zwei bis vier Leitungsabgängen oder auch Verteilerboxen mit Abschirmgehäusen für viele Lastabgänge zum Einsatz kommen. Welche technischen Anforderungen für beide Leistungsverteiler-Typen gelten und für welche Anwendungen sie sich am besten eignen, wird nachfolgend dargestellt.

Spezielle Anforderungen im Hochvolt-Bordnetz

Zu den neuen Komponenten in Hybrid- und Elektrofahrzeugen gehören nicht nur Hochvolt-Batterie oder Elektromotor, sondern auch der Leitungssatz des Hochvolt-Bordnetzes. Dabei werden spezielle Anforderungen an Isolation (Hochvolt-Sicherheit), elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Dichtigkeit gestellt. Generell sorgt das Hochvolt-Bordnetz für die sichere und verlustarme Verteilung der elektrischen Energie von der Batterie oder der Leistungselektronik an die Verbraucher. Dazu zählen beispielsweise Elektromotoren oder auch elektrisch betriebene Komponenten wie etwa Klimakompressor oder Heizelemente. In Zukunft werden voraussichtlich noch weitere mit Hochvolt betriebene Komponenten hinzukommen.

Bisher mussten Techniker dazu die elektrischen Verbraucher sternförmig von der Quelle aus mit einzelnen Leitungen verbinden. Zwar kann eine solche Verkabelung bei wenigen Verbrauchern noch sinnvoll sein, bei einer steigenden Anzahl von Verbrauchern erweist sie sich jedoch als nicht mehr effizient. Hinzu kommt, dass diese Lösung viel Bauraum im Fahrzeug benötigt und zudem sehr kostenintensiv ist. Daher bietet sich alternativ eine Verschaltung über lokale Verteilelemente an.

Zwei verschiedene Verteilelemente

Beispiel einer Hochvolt-Verteiler-Box

Beispiel einer Hochvolt-Verteiler-Box. Sumitomo

Im konventionellen Niedervolt-Bordnetz sind diese Verteilelemente entweder Verteiler-Boxen für eine größere oder Splice für eine kleinere Anzahl von Leitungen. Während Splice kostengünstig herzustellen sind, gestaltet sich der Aufbau von Verteiler-Boxen durch die Integration von Steckverbinder-Schnittstellen im Gehäuse als deutlich aufwendiger.

Im Hochvolt-Bordnetz können beide Verteilelemente aus dem Niedervolt-Bereich zum Einsatz kommen. Sollte das der Fall sein, so erfordert das zusätzliche Anforderungen an die Spannungsfestigkeit und die EMV. Bild 1 zeigt eine typische Situation, bei der ein Verteilelement eine effektivere Verkabelung der Hochvolt-Komponenten Klimakompressor, Heizelement und induktiver Ladeeinheit ermöglicht. Ohne das Verteilelement wäre es nötig, mehrere einzelne Versorgungsleitungen vom Hinterwagen zum Vorderwagen zu ziehen, während hier eine einzige Leitung ausreicht. Mit dem Hochvolt-Splice hat SEBN eine neue Komponente entwickelt, die für wenige Leitungsabgänge von mittlerem Querschnitt eine sehr kompakte und effektive Verteillösung bietet.

 

Der Aufbau der Verteiler-Box

Bild 2 zeigt ein typisches Beispiel einer Hochvolt-Verteiler-Box. Das Gehäuse besteht aus Aluminium-Druckguss, in dessen Wänden Stiftleisten zum lösbaren Anschluss von externen Bordnetz-Steckern sowie Durchführungen zur festen Verbindung mit dem Bordnetz integriert sind. Während das Gehäuse wegen der elektromagnetischen Abschirmung aus Metall gefertigt sein muss, ist in seinem Inneren ein Isolierkörper aus Kunststoff montiert, auf dem mittels Kupferschienen die interne Verschaltung der angeschlossenen Leitungen realisiert wird. Hier lassen sich auch zusätzliche Komponenten wie Sicherungen und Relais unterbringen.

Die Aufgabe der Gehäuse-Schnittstellen liegt zum einem darin, die stromführenden Leitungen ins Innere zu führen. Zum anderen sollen sie die Kabelschirme elektrisch mit dem Gehäuse verbinden. Bestehende Stiftleisten, die mit dem Gehäuse verschraubt sind, agieren dabei teilweise als Gegenstecker. Zusätzliche Kabeldurchführungen sind bei untrennbaren und festen Leistungsverbindungen nötig, da für diese viele Einzelteile zu montieren sind (Bild 2). Die maximal auftretenden Spannungswerte (Luft- und Kriechstrecken) erfordern es zudem, dass ausreichende Isolierabstände vorhanden sind. Zusätzlich muss die Verteiler-Box wasserdicht (IP6K9) sein.

Je nach Funktion lassen sich in dem Verteiler-Box-Konzept fast beliebig viele Leitungen mit unterschiedlichen Querschnitten anschließen. Abhängig von der Position im Fahrzeug ist auch eine Potenzialausgleichsleitung zum Schutz gegen Stromschläge notwendig.

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