Elektrische Kontakte, Thermomanagement, E-Mobility

E-Mobility, Elektromobilität und erneuerbare Energien bringen Chancen aber auch Herausforderungen. Erweiterungen bestehender bzw. neue Normen, Standards und Richtlinien (VDA, VDI) sind erforderlich. ContactEngineering erfasst die Anforderungen an elektrische Verbindungen, entwickelt und berechnet Designs, steigert die Energie-Effizienz für reduzierte Entwärmungsmaßnahmen, reduziert Kosten, optimiert die Produktion, bewertet verschiedene Verbindungsmöglichkeiten, die Einflüsse auf die Funktion, das Langzeitverhalten und die Zuverlässigkeit.

 

 

Elektrische Schalteinheit, battery-junction-box, power distribution unit für die E-Mobility

Die Battery-Junction-Box (BJB) bzw. Battery Disconnect Unit (BDU) oder Power Distribution Unit (PDU) sind Schalteinheiten, die die Batterie zum Converter verbinden bzw. trennen. Die Battery-Junction-Box beinhaltet elektro-mechanische Komponenten wie Relais/Schütze, Überstromschutz, Vorladewiderstand, Vorlade-Relay und deren elektrische Verbindungen (i.d.R. Stromschienen, Leitungen, Leiterplatten) ggf. auch Strommessung (Hall-Effekt Stromsensor, LEM, shunt), Spannungsmessungen und Diagnosemöglichkeiten.

 

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Battery-Junction-Box, dargestellt ist ein typischer Hochvolt/Hochstrompfad bis zum Hochvolt Steckverbindersystem.

Isolation, Isolationslösung, Elektromobiltät, ergänzende Eigenschaften, mechanische Beanspruchbarkeit, Abriebfestigkeit, Robustheit, Verschleißfestigkeit, Durchscheuern, Penetration, Isolationswerkstoff, Funktionswerkstoff, selbstklebende Folie, Polyesterklebeband, Epoxy, Polypropylenfolie, PVC

Elektrische Isolation und Durchschlagfestigkeit

Isolation, Isolationslösungen sind Isolationswerkstoffe sind zentrale Themen der Elektrotechnik aber auch der Elektromobiltät. Gerade in mobilen Anwendungen bestehen zusätzliche Anforderungen an den Isolationswerkstoff wie z.B. Dichte und Gewicht, aber auch hinsichtlich mechanischer Beanspruchbarkeit. So muss beispielsweise auch Verschleiß und Penetration der Isolation vermieden werden.

 

Prinzip der Funktionstrennung und Ergänzung in den Stärken verschiedener Isolationswerkstoffe z.B. Vermeidung des Unterkriechens durch Feuchtigkeit und Wasser oder Steigerung der Verschleißfestigkeit und Sicherheit durch geprüfte Folien.

 

 

Thermomanagement und Entwärmung

Das Wärmemanagement ist insbesondere bei kompakter Bauweise, hoher Leistungsdichte und Leichtbau herausfordernd. Gleichzeitig zeigen Schadensanalysen die Wärme als häufigste Ausfallursache der Elektronik. Ursachen für die Wärmeentstehung sind elektrische Widerstände der Leitwerkstoffe, Verlustleistungen von Leistungsbauteilen aber auch der elektrischen Verbindungen/die Übergangswiderstände. Die Lebensdauern von Leistungsbauteilen, der Schaltkontakte, sowie die Alterung von elektro-chemischen Speichern/Batteriezellen hängen wesentlich von den Betriebstemperaturen ab. So wird der Einfluss der Temperatur auf die Lebensdauer z.B. zur beschleunigten/zeitgerafften Alterung und Prüfung von Bauteilen eingesetzt.

Auf Grund des Einflusses der Temperaturen auf die Lebensdauer und auch auf die Energieeffizienz des Systems gilt den Temperaturen ein besonderes Augenmerk. Bereits in der Entwicklung gilt es Verluste und Wärmeentstehung durch das Design zu minimieren und ggf. unvermeidbare Wärme gezielt und zuverlässig abzuführen. Dabei helfen die Wärmeleitung und die Wärmekapazitäten. Die Wärmekapazitäten der vorhandenen Tragestrukturen, der Bauteile und natürlich evtl. Kühlkörper, heat sinks, phase change materials (PCM). Schlüssel sind die Wärmespreizung, die Wärmeübergänge/Kontakte und die Wärmeableitung/heat transfer über die Lebensdauer sicher zu stellen. Zudem unterstützen Kühlmedien, wie beispielsweise Luft, durch natürliche oder erzwungene Konvektion/forced air cooling unter Berücksichtigung der Umgebung/Verschmutzung. Ergänzend gibt es geschlossene Systeme mit Kühlmedien wie Öl, Emulsionen, Wasser, Wassergemische oder auch heat pipes.

 

Zum Wärmemanagement und Entwärmung

Zur Temperatur und Berechnung/Simulation

 

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Die Übersicht vergleicht unterschiedliche Möglichkeiten der Wärmeleitung. Eine Luftkühlung ist i.d.R. sehr einfach und günstig. Bei größeren abzuführenden Wärmemengen, wie beim Schnellladen einer Traktionsbatterie kommt die Luftkühlung jedoch an die Grenzen. Zudem gilt es die Umgebungsbedingungen und eine evtl. Verschmutzung zu berücksichtigen. Ergänzend gibt es geschlossene Systeme mit Kühlmedien wie Öl, Emulsionen, Wasser, Wassergemische oder auch heat pipes. Diese Lösungen ermöglichen die Abführung deutlich höherer Wärmemengen. Die Gestaltung über Lebensdauer zuverlässiger thermischer Kontakte und Übergänge ist unser Spezialgebiet.

E-Mobility, Elektromobilität, Stromschiene, bus-bar, elektrische Verbindung, Kabel, Leitung, Kupfer, Fertigung, Stanz-Biege, Beschichtung

Werkstoffwahl, Beschichtung, Isolation, Fertigungsverfahren, Herstellungsmöglichkeiten und Verbindungsmöglichkeiten bieten vielfältige Optimierungsansätze. Hier Beispiel einer in Serie gefertigten Stromschiene.

Elektrische Verbindungen für die Elektromobilität (E-Mobility)

Elektrische Verbindungen in der Elektromobilität (E-Mobility) können durch verschiedene Möglichkeiten realisiert werden

  • Stromschienen: zur Kostenoptimierung bieten sich innovative Herstellungskonzepte, alternative Beschichtungen (Korrosionsschutz durch Beschichtung vs. Passivierung) und Synergien mit der Reinigung, der Sauberkeitsanforderungen an die Komponenten. Typische Verbindungen sind bspw. Schraubverbindungen, stoffschlüssige Verbindungen oder Pressverbindungen. Für die Gewichtsreduzierung bietet sich beispielsweise Aluminium als elektrischer Leitwerkstoff.
  • flexible Leitungen/geflochtene Bänder. Typische Verbindungen sind bspw. Crimp-Verbindungen und Steckverbindungen.
  • Leiterplatten (PCB, Hochstrom-PCB, PCB+Wire-combinations/partielle Stromführung)

Jede dieser Lösungen hat ihre Stärken die für den spezifischen Einsatzfall bewertet werden.

 

 

 

Links und weitere Details zu den Themen

 
Stromschienen und bus-bars

 
Aluminium als elektrischer Leitwerkstoff

 
Bewertung und Vermeidung der Kontaktkorrosion

Kontaktanalyse, Monitoring und Kontaktdiagnose

Die Vorteile akustischer Analyse-Methoden sind die Identifizierung und Lokalisierung von Verursachern, eine schnelle erste Beurteilung der Situation durch das menschliche Gehör oder eine Echtzeit-Visualisierung durch z.B. Spektrogramme. Die Messdatenerfassung ermöglicht weitergehende Auswertungen und Analysen, wie auch mathematische Transformationen.

 

 

 

 

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Fingerprint oder Herzschlag des Kontaktes: die Kontaktanalyse. Hier eine Visualisierung des Schalldruckpegels und des Frequenz-Spektrogramms eines Kontaktes.

Kontaktdiagnose, Design, Verifizierung, Zuverlässigkeitsbewertung, Gasdichtheit, Farbeindringverfahren, Zustandes des Kontaktes zur Funktionserfüllung, state of function, Ohmsche Widerstände, Impedanzen, Impedanzmessung, Impedanzspektroskopie, Energieverluste, Temperaturerhöhungen, Laser-Flash, Temperatur-Abkühlkurven nach Stromlast, Korrelation Wärmefluss, Übergangswiderstand, Strahlung, Wärmestrahlung, Thermografie, Prüfsignalen, Akustik, Körperschall, Anforderungen

Die Kontaktdiagnose. Ein wichtiges Kriterium für eine langfristige Funktion ist die Vermeidung der Oxidation der Kontaktfläche. Hier ein einfaches Beispiel einer Simulation und Verifizierung durch Druckmessverfahren in einem elektrischen Kontakt.

Werden alle bekannten Einflussgrößen betrachtet ergeben sich umfangreiche Ursache-Wirkungs-Diagramme. Einige aus tribologischer Sicht wesentliche Einflussgrößen sind

  • Elektrisch leitende Werkstoffe/Kontaktwerkstoffe/Werkstoffpaarungen und damit deren Stromtragfähigkeit, Kontaktwiderstand und elektro-chemisches Potential (Vermeidung von Kontaktkorrosion)
  • Oberfläche/Oberflächenbeschichtungen als Korrosionsschutz und zur Ausbildung einer gasdichten Verbindung
  • Fremdschichten auf elektrischen Kontaktflächen (Fritting)
  • Anpressdruck der Kontaktflächen über Lebenszeit und Reibwerte/Topografie in der Verbindung um einen gasdichten Kontakt zu erreichen (Reibkorrosion, Fretting)

Herzstück der Elektromobilität (E-Mobility) sind die Energiespeicher und die elektrischen Verbindungen. Eine Voraussetzung für einen robusten langlebigen elektrischen Kontakt ist die elektrische, mechanische, chemische und thermische Stabilität des Kontaktes. Hier müssen Themen wie Werkstoffverhalten, Relaxation und Temperatureinfluss unter elektrischer Beanspruchung evtl. auch durch Umgebungsmedien verursachte Veränderungen bewertet werden. Kontaktverschraubungen/Schraubverbindungen erfordern die Durchführung einer Schraubenberechnung und Festigkeitsnachweise (gemäß VDA, VDI-Richtlinien) einschließlich der Ermittlung/Betrachtung der Reibwerte in Kontakten und Verbindungselementen, wie z.B.

  • Einfluss der Reibung auf das Montageergebnis beim Schrauben
  • Einfluss der Reibung auf die Gleitbewegungen bzw. Mikrobewegungen und damit der Kontakt-Lebensdauer
  • das Warmlöseverhalten

 

Untersuchungen und Analysen am Beispiel einer Schraubfall-Analyse

Die Aufgabe der Verbindung ist es Funktionen, wie geringe Übergangswiderstände und hohe Stromtragfähigkeit über die Lebensdauer sicherzustellen. Dazu gibt es bewährte Designs und Richtlinien. In innovativen Projekten, bei Einsatz neuer Werkstoffe oder Verbindungstechniken kommen diese Richtlinien schnell an Grenzen und es müssen darüber hinaus Einflüsse berücksichtigt und bewertet werden. Zudem gilt es auch Streuungen in Prozessen und im Einsatz zu bewerten. Dabei helfen auch experimentelle Untersuchungen und Analysen. Die Schraubfall-Analyse ermöglicht

  • die Verifikation des Designs, die Analyse der Schraubverbindung (Verhalten von Verbindungselement und Klemmteile)
  • Ermittlung der Drehmoment-Drehwinkel Charakteristik
  • Ermittlung des Bruchdrehmoments und der Versagensart
  • Ableitung der
    Montagestrategie und Montageprozessparameter, inkl. der Bewertung der elektrischen Eigenschaften und Messung des Übergangswiderstandes
  • Ermittlung der Reibwerte nach DIN EN ISO 16047 und die Untersuchung des Einflusses der Reibwerte

Die Schraubfall-Analyse als serienbegleitende Prüfung ermöglicht das Erkennen von Trends/Veränderungen im Serienprozess z.B.
die Veränderung der Reibwerte durch einen veränderten Herstellprozess. Steigung und Übergang der Kurven lassen auf Abmessungen und Fügebedingungen schließen (Bauteile liegen nicht spaltfrei und plan aneinander)

Die Ergebnisse werden maßgeblich beeinflusst

  • Festigkeiten der beteiligten Werkstoffe
  • Reibwerte in Kopfauflage und Gewinde
  • Abmessungen der Bohrung und der Schraube
  • Oberflächenbeschaffenheit (wie Formabweichung, Rauheit, Grate) der verschraubten Bauteile
  • Schraubstation und Montageparameter z.B. Drehzahl, Massenträgheit beim Anziehen
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Inbesondere bei Hochstrom-Verbindungen oder auch bei geringen Signalströmen ist der Übergangswiderstand in der Verbindung über die Lebendauer gering zu halten. Hier eine Verifizierung der Verbindung, eine Schraubfall-Analyse und Weiterdrehmoment-Ermittlung an einer zuvor gealterten/getesteten elektrischen Verbindung, Messgenauigkeit 0,2%, Messfrequenz bis 10 kHz.

Die Ermittlung des Weiterdrehmoments nach VDA ermöglicht

  • die Verifikation des Verbindungsdesigns: Ermittlung des Vorspannkraftverlustes in einer Verbindung zur Absicherung der Auslegung der Schraubverbindung insb. des Langzeitverhaltens, der Bewertung von Setzbeträgen und der Kriechneigung.
  • als serienbegleitende Prüfung die Ermittlung des Vorspannkraftverlustes und das Erkennen von Trends/Veränderungen im Serienprozess z.B. die Veränderung der Reibwerte durch veränderten Herstellprozess, Veränderung der Setzbeträge durch Veränderung der Werkstoffe, der Rauheit, der Abmessungen, der Fügespalte, der tragende Kontaktfläche, der Geometrie durch Grate, u.ä.

Der Vorspannkraftverlust kann sich auf die Funktionen der Verbindung auswirken, z.B. zu einem Anstieg des Widerstands führen, die Gasdichtheit der Verbindung gefährden oder zum ungewollten Lösen der Verbindung führen.

Vorspannkraftverluste entstehen bspw. durch

  • Setzen und Relaxation/Kriechen der Werkstoffe (Schraube und verspannte Bauteile) unter Beanspruchung
  • Temperaturwechsel (unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kontaktpartner)
  • Relativ-/Mikrobewegungen im Kontakt
  • erhöhte Temperaturen
  • Strombelastung (Erwärmung und Materialwanderung)
  • Korrosion (auch elektro-chemische Kontaktkorrosion)

Die Schraubfall-Analyse kann mit hoher Flexibilität, vor Ort durchgeführt werden. Bei vorhandenen Bauteilen ist die Beurteilung innerhalb kurzer Zeit möglich.

Designparameter von elektrischen Hochstrom-Verbindungen und deren Einfluss auf die Funktion

Der Beitrag erläutert an einem einfachen Beispiel die wesentlichen Anforderungen an die elektrischen Verbindungen, es werden Verbindungsmöglichkeiten und Designmerkmale von elektrischen Hochstrom-Verbindungen betrachtet.

 

 

 

Elektrische Kontaktierung, E-Mobility, Kontaktwiderstände, Kontaktwerkstoff, Beschichtung, Montagedrehmoment, Klemmkraft, Kontaktverschraubungen, Schraubverbindung
Elektrische Kontaktierung, E-Mobility, Relaxation, Vorspannkraftverlust, Gasdichtheit, Verbindungen, Leitwerkstoffe, Kupfer vs. Aluminium, Kontaktverschraubungen, Schraubverbindungen, Kontaktwiderstand

Reibwerte und Relaxationsverhalten in elektrischen Kontaktverschraubungen

Robuste tribologische Kontakte und beherrschte Streuungen sind die Voraussetzungen für belastbare elektrische Verbindungen. Der Beitrag erläutert am Beispiel einer elektrischen Kontaktverschraubung die Ermittlung der Reibwerte während des Montageprozesses und die stichprobenweise Ermittlung und Bewertung des Relaxationsverhaltens.

 

Zuverlässigkeit konzentrierter Kontakte, Synergien aus Design- und Zuverlässigkeitsmethoden

E-Mobility und die Zuverlässigkeit konzentrierter Kontakte, Synergien aus Design- und Zuverlässigkeitsmethoden

Die Methoden der Zuverlässigkeitsbewertung unterstützen dabei unterschiedliche Designlösungen zu vergleichen und wesentliche Einflussgrößen zu beschreiben. Damit kann ein robustes Design, die geforderte Zuverlässigkeit und Lebensdauer erreichen.

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Zuverlässigkeitsbewertung konzentrierter Kontakte

Zuverlässigkeitsziele in Luftfahrt und Automotive. Die Methoden der Zuverlässigkeitsbewertung unterstützen dabei unterschiedliche Designlösungen zu vergleichen und wesentliche Einflussgrößen zu beschreiben. Damit kann ein robustes Design, die geforderte Zuverlässigkeit und Lebensdauer erreichen.

 

 

ContactEngineering bietet

  • die Definition der Funktionen, der Anforderungen an die elektrischen Hochstrom-Verbindungen der Elektromobilität (E-Mobility) und die Ableitung entsprechender Verifizierungsmaßnahmen und Kontaktdiagnosemöglichkeiten (FuSi, ASIL, Diagnose und Digitalisierung)
  • das Design
    Elektrische Themen sind bspw. Kontaktarten, Leit-Werkstoffe, Beschichtungen, Form- und Oberflächen.
    Mechanische Themen sind bspw. Auslegung, Berechnung, Bewertung der Verbindungselemente.
    Chemische Themen sind bspw. Korrosion durch Umgebungsmedien, elektro-chemische Korrosion/Kontaktkorrosion.
    Thermische Themen sind bspw. die Betrachtung von Temperaturentwicklungen und zulässigen Temperaturen/Temperaturgrenzen, die Bewertung von Übergangswiderständen inkl. der Alterung, Wärmeeinleitung durch benachbarte Bauteile/Entwärmung von Bauteilen (Wärmemanagement).
    Methodische Bewertung des Designs durch Konstruktionsmethodik, FMEA und DRBFM. Kostenoptimierungen und Bewertung der Zuverlässigkeit.
  • Bewertung der Einflussgrößen zur Steigerung der Robustheit, Zuverlässigkeit
  • Absicherung gegen Verschleiß und Korrosion, Bewertung des Relaxationsverhaltens, des Langzeitverhaltens und der Zuverlässigkeit, Diagnosemöglichkeiten von mechanischen und elektrischen Kontakten, Schaltkontakten und Verbindungselementen Link Zuverlässigkeit und Diagnose elektrischer Kontakte
  • Systemauslegung und PowerTrain-Optimierung, modellbasierte Bewertung, Optimum (je nach Schwerpunkt hinsichtlich Kosten, Gewicht, EMV, Zuverlässigkeit) aus verschiedenen Designvarianten und Konfigurationen wie Leitwerkstoffe (Cu vs. Al), Verlegearten/routing (Kabelkanäle/bundles vs. Einzelkabel, Kabel vs. busbars vs. high-current-PCB), Überstromabsicherungen (Schmelzsicherungen vs. Halbleiter/solid state relay/SSR)

 

 

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