Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Aluminium statt Kupfer als Leitungsmaterial im Auto-Bordnetz

07.02.2011
In Fahrzeugen aller Art spielen Elektrik und Elektronik eine stetig wachsende Rolle. Als Leitungsmaterial wird derzeit in der Regel Kupfer verwendet. Doch im Vergleich zu Aluminium ist Kupfer schwer und teuer.

Vor allem für vollelektrische Fahrzeuge wäre der Umstieg auf das billigere und spezifisch leichtere Aluminium eine interessante Option. Deshalb steht jetzt auch die Optimierung des verzweigten Elektrobordnetzes im Fokus der Ingenieure. In Zusammenarbeit mit Forschern bei BMW haben Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) nun herausgefunden, mit welchen Tricks es möglich ist, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen.

Auf den ersten Blick ist es nicht nachvollziehbar, warum in modernen Kraftfahrzeugen mit (teil-) elektrischem Antrieb nach wie vor auf das Leitermaterial Kupfer gesetzt wird – obwohl Aluminium leichter und vor allem wesentlich kostengünstiger ist. Doch will man in der Elektrik Kupfer durch Aluminium ersetzen, muss man sich zunächst einigen technologischen Herausforderungen stellen. Vor allem bei höheren Temperaturen, wie sie auch im Auto an vielen Stellen auftreten, zeigt Aluminium ein deutliches Kriechen. Konventionelle Verbinder sind daher nicht einsetzbar, sie wären nicht dauerfest.

Auch eine mögliche Alternative, der Einsatz aluminiumbasierter Elementen in den Kabeln und kupferbasierter Elemente in der Verbindungszone ist mit Schwierigkeiten behaftet. Da zwischen dem Kupferkontakt und dem Aluminiumkabel ein großes elektrochemisches Potenzial besteht, wären solche Kabel stark korrosionsgefährdet. Darüber hinaus ist das Fügen von Kupfer und Aluminium mit den heutigen Technologien relativ aufwändig. Um den genannten technologischen Schwierigkeiten entgegenzutreten, entwickelten Forscher der Lehrstühle für Hochspannungs- und Anlagentechnik sowie für Umformtechnik und Gießereiwesen in Kooperation mit BMW im Rahmen des Projekts LEIKO ein innovatives Kontaktierungskonzept auf Aluminiumbasis.

Ein Stahlblechkäfig, aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit ohnehin notwendig, übernimmt die mechanische Stabilisierung des Steckers und sorgt für die langzeitstabile Abstützung der Kontaktkraftfeder. Indem die notwendige Kontaktkraft nicht mehr durch die Kontaktelemente selbst aufgebracht wird, wandelt sich das ursprünglich problematische Kriechverhalten von Aluminium in eine Kontakt stabilisierende und damit positive Eigenschaft. Damit ist auch über eine Lebensdauer von zehn Jahren eine konstante Kontaktkraft gewährleistet.

Die Forscher entwickelten dazu eine spezielle, keilförmige Geometrie für die Aluminiumkontakte. Das Kriechverhalten des Aluminiums führt nun dazu, dass sich die beiden Kontakte über die Laufzeit zunehmend anschmiegen und sich die elektrische Verbindung sogar noch verbessert. Durch den durchgängigen Einsatz von Aluminiumlegierungen und die geschickte Anordnung der Beschichtung mit edleren Metallen konnte außerdem die Bildung korrosionsträchtiger Lokalelemente auf unkritische Stellen im Gesamtaufbau verlagert werden.

Ein weiteres Problem bei Aluminium ist die geringere elektrische Leitfähigkeit. Besonders für Leistungsbordnetze müssen die um etwa 60 Prozent größeren Leitungsquerschnitte bei der Konstruktion von Kabelkanälen und Durchführungen berücksichtigt werden. Allerdings, so fanden die Forscher heraus, können die Richtwerte aus der Verarbeitung von Kupferkabeln, die die Biegeradien in Abhängigkeit zum Durchmesser setzen, für Aluminiumkabel verwendet werden, da Aluminium ebenfalls eine gute Biegsamkeit besitzt.

Um das Langzeitverhalten der beschichteten Aluminiumkontakte auch unter den widrigsten Kraftfahrzeug-typischen Umgebungseinflüssen bestimmen zu können, konnten die Projektpartner gemeinsam mit führenden Zulieferbetrieben ein weiteres Forschungsprojekt ins Leben rufen. Dieses von der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) geförderte Projekt wird bis Juli 2012 eine Aussage über das Alterungsverhalten und damit die Einsatzeignung des Konzepts treffen.

Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Materialsubstitution erhebliche Gewichts-, Kosten- und letztlich auch Emissionsvorteile ermöglichen würde. “Wir rechnen damit, dass bis 2020 die Hochvoltbordnetze der meisten Elektrofahrzeuge auf Aluminium basieren. Auch in die Niedervoltbordnetze wird Aluminium Einzug halten, da der Kupferpreis mit zunehmender Nachfrage signifikant weiter steigen wird,” sagt Professor Udo Lindemann vom Lehrstuhl für Produktentwicklung der TU München.

Eingebettet sind diese Projekte in die wissenschaftliche Arbeit des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 768, Zyklenmanagement von Innovationsprozessen. Dieser bündelt Kompetenzen aus Informatik, Ingenieur-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften, um die an den Schnittstellen des Innovationsprozesses liegenden Herausforderungen gemeinsam mit Partnern aus der Industrie zu untersuchen. Ziel dieser Forschung ist es, aus einer interdisziplinären Sichtweise heraus industrierelevante Lösungen zum Umgang mit dynamischen Veränderungen sowohl des Unternehmensumfelds als auch der unternehmensinternen Prozesslandschaften zu erarbeiten.

Teil der Forschungsarbeit des SFB 768 ist ein studentisches Projekt zur Entwicklung eines elektrisch betriebenen Gokarts. Um die vielfältigen Herausforderungen des Innovationsmanagements unmittelbar mitzuerleben, führten die Studenten, ausgehend von einer Standardrahmenkonstruktion, den vollständige Entwicklungsprozess für alle Teilsysteme des Gesamtfahrzeugs durch. Auch die Ergebnisse des LEIKO-Projekts fließen hier ein – das gesamte Hochvoltbordnetz ist in Aluminium ausgeführt.

Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten sollen auch in das TUM-Elektrofahrzeug MUTE Einzug halten, das auf der IAA 2011 vorgestellt wird.

Publikation
Langer, S.; Lindemann, U.: Managing Cycles in Development Processes - Analysis and Classification of External Context Factors, in 17th International Conference on Engineering Design, M. N. Bergendahl, M. Grimheden, and L. Leifer, Eds. Stanford University, California, USA: Design Society, 2009, pp. 1-539 - 1-550
Kontakt
Prof. Dr. Udo Lindemann
Lehrstuhl für Produktentwicklung
Technische Universität München
Boltzmannstr. 15, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 15130, Fax: -15144
E-Mail: sekretariat@pe.mw.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.pe.mw.tum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Automotive:

nachricht Leichtbauteile für die Automobilindustrie schnell und günstig fertigen
16.11.2017 | IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH

nachricht Kabeleigenschaften schnell und einfach bestimmen
02.11.2017 | Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Automotive >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Gene für das Risiko von allergischen Erkrankungen entdeckt

21.11.2017 | Studien Analysen

Wafer zu Chip: Röntgenblick für weniger Ausschuss

21.11.2017 | Informationstechnologie

Nanopartikel helfen bei Malariadiagnose – neuer Schnelltest in der Entwicklung

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie