Leitung Aluminium statt Kupfer als Leitungsmaterial im Auto-Bordnetz

In Fahrzeugen wird derzeit Kupfer als Leitungsmaterial verwendet. Doch im Vergleich zu Aluminium ist Kupfer schwer und teuer. Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) herausgefunden, mit welchen Tricks es möglich ist, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen.

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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.

Kontaktierungskonzept auf Aluminiumbasis entwickelt

Auch eine mögliche Alternative, der Einsatz von aluminiumbasierten Elementen in den Kabeln und kupferbasierte 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.

Konstante Kontaktkraft von zehn Jahren

Ein Stahlblechkäfig 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.

Korrosionsträchtiger Lokalelemente wurden verlagert

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.

Teil 2: Aluminium hält in Elektrofahrzeugen Einzug

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