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ATZelektronik

, Volume 6, Issue 5, pp 48–53 | Cite as

Aluminium-Flachkabel Flexible Lösung mit Starrer Leitung

  • Martin Schloms
  • Sebastian Martens
Industrie Bordnetz

Bis zu 40 % Gewichtsvorteil von Aluminium bei gleichem elektrischem Widerstand gegenüber herkömmlichen Kupferleitungen sind bekannt. Seit dem massiven Anstieg des Kupferpreises ist Aluminium auch ein Faktor zur Kostensenkung im Bordnetzkabelbaum. nachteilig waren bisher die größeren Leitungsquerschnitte – 50 mm2 Kupfer zu 85 mm2 Aluminium. die Firma Auto-Kabel löst das Problem mit dem sogenannten energy Backbone, einem massiven Aluminium-Flachleiter, der in die Karosseriestruktur integriert ist. In einem elektrofahrzeug lassen sich damit bis 3,5 kg Gewicht sparen. Im Hochvoltbordnetz sind noch weitere Potenziale zu heben, meint Auto-Kabel.

Historie

Die zunehmende Elektrifizierung des An triebstranges führt zwangsläufig zu einem „Mehr“ an Leitungen, Steckverbindern und Energieverteilungsknoten. Das Gewicht des heutigen Fahrzeugbordnetzes mit bis zu 1500 Leitungen wird sich in den kommenden zehn Jahren verdoppeln. In der Fahrzeugentwicklung ist die hardwareseitige Konstruktion des Kabelbaums meist eine flexible Stellgröße, die auch noch am Ende des Entwicklungsprozesses leicht angepasst werden kann. Somit können Änderungen über den Kabelbaum schneller umgesetzt werden, als Änderungen an werkzeuggebundenen Teilen.

Der sogenannte kundenspezifische Kabelbaum ist ein ausstattungspezifisches Produkt, das selten zweimal gleich vorkommt. Was vor rund 20 Jahren noch eine logische Konsequenz in der Gewichtseinsparung war, ist heute jedoch an seine physikalischen Grenzen gestoßen. Die Komplexität dieser Kabelbäume entsteht durch die steigende Anzahl von elektrischen Verbrauchern, damit verbundene Signalund Steuerleitungen und die Energieverteilung. Der Kabelbaum besitzt nicht mehr eine Aufbaustruktur, die dem Bild eines Baums nahekommt. Eine Hecke wäre eine zutreffendere Metapher.

Grundsätzliche Veränderungen im Ab lauf der heutigen Fahrzeugkonstruktion sind in der Kürze der Entwicklungszyklen einer Baureihe bisher praktisch nicht um setzbar. Der Trend zu alternativen Antrieben und Elektrofahrzeugen stellt die klassische Fahrzeugkonstruktion nun jedoch vor grundlegende Veränderungen. So be stehen Chancen mit der Bordnetzarchitektur bei „Null“ anzufangen. Hierzu sind neben neuen Vernetzungskonzepten und der Integration von Mehrspannungsbordnetzen auch alternative Werkstoffe und Technologien gefragt.

Energy Backbone – Generation 1

Müssen Kabel flexibel sein? Die F&EAb teilung von AutoKabel befasst sich seit über 13 Jahren mit Aluminium als Leitermaterial und dessen Verbindungstechnologien. Bereits 2005 wurde die Frage ge stellt, warum ein fünf Meter langes 120 mm2 Aluminiumkabel flexibel sein und dazu aus über 600 Einzeldrähten bestehen muss. In der Leitungsverlegung wird durch die Ingenieure ein erhebliche konstruktiver Aufwand betrieben, die biegeschlaffe, flexible Leitung mittels Kabelschächten und Clipsen in Form zu bringen und an die dreidimensionale Struktur des Unterbodens anzupassen. Ohne Zweifel sind flexible Kabel, aufgerollt auf einer Kabeltrommel ein standardisiertes Produkt, das überall konfektioniert werden kann. Aus funktionaler Sicht des Fahrzeugs und dessen Anforderungen an „Stromleiter“ ist dies jedoch geradezu unsinnig. Die Leitung soll über die Fahrzeuglebensdauer möglichst ruhend an ihrem Ort verweilen. AutoKabel hat hier den Energy Backbone – das AluminiumRückgrat – für eine neue Energieverteilung entwickelt und bereits 2008 als Weltneuheit bei zwei deutschen Premiumfahrzeugherstellern in Serienfahrzeugen integriert, .

Aluminium-Flachkabel im Audi A8

Beim Energy Backbone, , handelt es sich um einen massiven AluminiumFlachleiter. Durch diesen Flachleiter kann trotz der für Aluminium typischen Querschnitterhöhung eine Leitungsverlegung in fast jedem noch so kleinen Bauraum realisiert werden. Bei einem Seitenverhältnis von ty pischerweise 1:4 bis 1:10, , ist der Energy Backbone in speziell entwickelten Biegeverfahren dreidimensional geformt und schmiegt sich so exakt der Fahrzeugkontur an. Dabei ist sowohl eine Unterbodenverlegung als auch eine Verlegung im Innenraum des Fahrzeugs möglich. Die durch den Leitungswiderstand hervorgerufene Erwärmung der Leitung unter Stromlast kann aufgrund der größeren Leiteroberfläche besser an die Umgebung abgeführt werden. Der dadurch gewonnene Temperaturpuffer kann somit genutzt werden, um den zuvor erhöhten Querschnitt wieder zu reduzieren ohne die elektrische Performance zu verschlechtern.

Flachleiter eingebettet

Größtmögliche Gewichts- und Platzeinsparung mit Aluminium-Flachleitungen

Zur Risikominimierung in der Entwicklung beim Ersteinsatz eines solchen evolutionären Konzepts, wurde darauf geachtet, eine „Kupfer-Rückfallebene“ vorzusehen. Somit musste eine Verlegung realisiert werden, die zur Not auch noch Platz für die schwereren, runden Kupferkabel vorgesehen hätte. Die technischen Bedenken wurden durch zahlreiche Komponententests und Erprobungen im Fahrzeug jedoch ausgeräumt. Weiterhin hatte die Flachleitung an den Leitungsenden noch ein flexibles Kabelstück angeschweißt, um die Leitung in der Endmontage beispielsweise bei Durchführungen fädeln zu können.

Energy Backbone – Generation 2

Nach dem Ersteinsatz 2008 wurde die nächste Evolutionsstufe entwickelt, die sämtliche Vorteile der Flachleitung ausnutzen sollte. Bei der Konstruktion des Rohbaus für das neue Fahrzeug wurde gleich eine Flachleitung vorgesehen ohne eine Fallbackebene einzuplanen. Somit konnte die Anzahl der Befestigungselemente weiter reduziert werden, sodass sich die Flachleitung bei optimiertem Leitungsverlauf und noch kleineren Biegeradien optimal an die Karosserie anschmiegt. Weiterhin konnte bei der zweiten Generation auf ein flexibles Ende verzichtet werden. Auf Komponentenebene wurden neuartige Verbindungstechnologien sowie ein vollautomatisches Fertigungskonzept entwickelt, welche für flexible Rundleitungen gar nicht möglich wäre. Durch ein neue entwickeltes Isolationsverfahren, dass bei Rundleitungen nicht möglich ist, konnte die Isolationswandstärke von klassischen 1,2 mm bei Litzenleitungen auf 0,5 mm reduziert werden, was zu weiteren 0,4 kg Gewichtsersparnis führt, . Weniger „Leiter“ und „Isolation“ ist technisch praktisch nicht möglich.

Zur besseren Integration der Flachleitung in den Innenraum des Fahrzeugs wurde ein modular aufgebautes System entwickelt. Die enthaltenen Anteile flexibler Aluminium-Leitungen konnten im Querschnitt verkleinert werden, indem man den Querschnitt der Aluminium-Flachleitungen entsprechend vergrößert hat, . So wird die Verlegung der flexiblen Leitung erleichtert und deren Bauraum reduziert. Im Gegenzug wird der Flachleiter durch die Querschnittserhöhung nur minimal (circa 0,8 mm) dicker, was im Bauraum für Flachleitungen meist kein Problem darstellt. Der Gesamtwiderstand der Leitung bleibt dadurch vergleichbar zu einer klassischen Leitung eines durchgehenden Querschnitts. Auch ist es möglich einen Leitungsanteil beispielsweise mit einem höherwertigen Isolationsmaterial zu versehen, den Rest der Leitung durch bedarfsgerechte Auswahl der Isolationswerkstoffe jedoch kostenoptimal zu gestalten.

Schnittdarstellung: Bauraumvergleich von Flachleitersandwich zu klassischen R undleitungen bei gleichem Querschnitt, Flachleitungspaket im Halteclip

Durch eine Vielzahl von intermetallischen Verbindungstechniken – gepaart mit diversen Aluminium-Leitungsvarianten – ist es gelungen, einen Baukasten zu generieren, der es erlaubt, unterschiedliche Leitungen in allen Kombinationen miteinander zu verbinden. So konnte man in Zusammenarbeit dem OEM die Stärken der jeweiligen Leitungstypen für die verschiedenen Fahrzeugbereiche, durch die diese Leitung führt, nutzen und so das optimale Produkt für diese Anwendung entwickeln.

Verbindungstechniken

Der Schlüssel für diesen modularen Aufbau ist die Verbindungstechnik, . Hierbei setzt Auto-Kabel auf intermetallische Verbindungen, welche mit diversen Kaltschweißverfahren realisiert werden. Diese Prozesse ermöglichen eine dauerhaft sichere mechanische und elektrische Verbindung von Aluminium mit Buntmetallen oder Stahl und verhindern ein Anschmelzen der eingesetzten Isolationswerkstoffe. Durch den Einsatz von Schweißtechnologien werden die typischen Probleme beim Crimpen von Aluminium, welche sich durch eine schnell bildende, elektrisch nicht leitende Oxidschicht sowie dem Fließverhalten des weichen Aluminiums ergeben, vermieden.

Flachleitung mit geschweißtem Mittenabgriff/wasserdichte Ausführung

Das Ultraschallschweißen ermöglicht beispielsweise das Verbinden von Aluminium-Litzenleitungen mit dem Energy Backbone oder auch mit entsprechend ausgeformten Kontaktteilen. Eine eigens entwickelte Anlagentechnik ermöglicht dabei die Verarbeitung von 10 mm2 bis 120 mm2 Aluminium-Litzenleitungen. Hierdurch kann die Verbindung der Flachleitung an den Endstellen mit der flexiblen Litzenleitung genauso realisiert werden wie die Schaffung zusätzlicher Mittenabgriffe.

Mittels des Reibschweißens werden im Hause Auto-Kabel bereits seit über zehn Jahren Aluminium-Litzenleitungen im zweistelligen Millionenbereich mit Kontakten aus Messing und Kupfer verbunden. Mittlerweile sind so bereits über acht Millionen Fahrzeuge mit dieser Technologie auf den Straßen unterwegs. Des Weiteren lassen sich mit der Reibschweißtechnologie Kontaktgewindebolzen oder Steckerpins an jede beliebige Stelle einer Flachleitung setzen. So kann gewählt werden, ob ein Mittelabgang direkt auf die Flachleitung verschweißt wird oder erst später eine zweite Leitung mit einer Schraubverbindung kontaktiert werden soll. Auch eignet sich dieser Bolzen mit einem speziellen Dichtsystem als Karosseriedurchtritt vom Unterboden zum Innenraum oder vom Innen- zum Motorraum. Auch ist es möglich Aluminium-Flachleitungen mit einer Kontaktlasche zu versehen. Durch diese Kontaktlaschen ist ein direkter Anschluss der Aluminium-Flachleitung in Sicherungs- und Verteilerdosen möglich Ein neues Rotations-Reibpunktschweißverfahren schließt die letzte Lücke im Verbindungstechnikportfolio, indem es Überlappverbindungen von Aluminium-Flachleitungen ermöglicht und somit den Grundstein etwa für Massekonzepte auf Aluminium-Flachleiterbasis legt.

Mehr Aluminium-Einsatz

Mittlerweile kommt Aluminium auch bei motorgebundenen Starter/Generatorleitungen bis hin zu kleineren Energieversorgungleitungen im Bordnetz zum Einsatz, was eine weitere Gewichtsersparnis von 1,5 kg pro Fahrzeug ermöglicht. Hierbei spielten die verwendeten Kontakte eine zentrale Rolle. Auto-Kabel hat eigens ein Kontaktteil entwickelt, welches eine einfache, sichere und frei konfektionierbare Kontaktierung der Aluminium-Leitungen mittels Ultraschallschweißen ermöglicht. Dieses Kontaktteil, das Bi Material Terminal oder kurz BMT genannt wird, besteht im Schweißbereich aus Aluminium, im Kontaktbereich jedoch aus gewohntem Buntmetall. Zusätzlich ist dieses Kontaktteil durch das Aufbringen einer partiellen Galvanik vor Korrosionsangriff geschützt. Dank dieser Technologie können ohne großen Aufwand zum Beispiel die bekannten DIN-Ringkabelschuhe in beliebiger Größe, auch für kleine Leitungsquerschnitte, nachgebildet und ersetzt werden. Auch diverse Steckerlieferanten haben die Vorteile der BMT-Technologie erkannt. Es wird an Steckverbindern gearbeitet, welche eine geeignete Oberfläche zum Ultraschallschweißen an ihren Kontakten zur Verfügung stellen. Somit ist Aluminium als Leiterwerkstoff im Fahrzeug auf dem Vormarsch und die Weichen hin zu einem Bordnetz aus Aluminium sind gestellt.

Der kombinierte Einsatz von Aluminium-Verbindungstechniken und Leitungssystemen bietet jedem Kunden die optimale Lösung für seine effiziente Energieverteilung im Fahrzeug.

Ausblick

Eine geradezu ideale Anwendung für den Energy Backbone stellen die neuen Hochvoltleitungen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge dar. Da die HV-Leitungen im Vergleich zum 12-V-Bordnetz nicht die Karosserie als Masserückleiter nutzen können, ist der gesamte Stromkreis mit Plus- und Minusrückleitung in sich geschlossen.

Im AC-Bereich der HV-Bordnetze können Aluminium-Leitungen ihre Stärken sogar dreifach ausspielen, da hier für jede Phase des Drehstroms eine gesonderte Leitung benötigt wird. Hierzu können durch einen mehrschichtigen Aufbau die HV+/- Batterieleitung in einem gemeinsamen Schirmmantel, einen sogenannten Summenschirm, geführt werden. Das durch die HV-Komponenten eingebrachte Mehrgewicht kann so teilweise wieder kompensiert werden. Bei einem Elektrofahrzeug kommen hier leicht 2 bis 3 kg Gewichtsersparnis allein durch den Einsatz von Aluminium-Leitungen zusammen, mit Flachleitungen werden noch weitere Potenziale erbracht und vor allem wertvoller Bauraum gewonnen.

Copyright information

© Springer Automotive Media Wiesbaden GmbH 2011

Authors and Affiliations

  • Martin Schloms
    • 1
  • Sebastian Martens
    • 1
  1. 1.Auto-Kabel Management GmbHMönchengladbachDeutschland

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