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Bordnetze Alternativen zu Kupferleitern

| Redakteur: Markus Schill

Immer mehr elektrische Funktionen im Auto machen das Bordnetz immer komplexer, gleichzeitig soll aber das Gewicht sinken. Eine Lösung sind alternative Leitermaterialien anstelle von Kupfer - aber nicht immer.

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Die Hersteller von Bordnetzen verbessern seit langem die Architektur ihrer Produkte im Hinblick auf Leitungsverlegung und Dimensionierung. Da diese Optimierungen auf Basis des Leitermaterials Kupfer inzwischen Teil des ständigen Verbesserungsprozesses zur Gewichts- und Kosteneffizienz sind, ist das weitere Potenzial begrenzt. Zur Erschließung neuer Möglichkeiten forcieren die Firmen den Einsatz von alternativen Leitermaterialien. Eine Vielzahl an Stoffen muss sich heute mit dem bewährten Universalleiter Kupfer, der nach Silber die beste Leitfähigkeit aller Metalle besitzt, messen lassen.

Unterschiedliche Anforderungen an Signalleitungen und Powerleitungen

Unterschiede zwischen Kupfer und Aluminium Ein genereller Ersatz von Kupfer durch ein einziges alternatives Leitermaterial ist in nächster Zeit nicht vorstellbar. Vielmehr müssen der Einsatzzweck und die Rahmenbedingungen der einzelnen Leitungen betrachtet und bewertet werden. So kann in einem ersten Schritt ein Leitungssatz in zwei große Kategorien unterteilt werden: in Signalleitungen und Powerleitungen.

Bei Ersteren steht die Signalübertragung im Vordergrund. Aufgrund der geringen Ströme kann der Leitungswiderstand höher sein, ohne dass es zu einer für die Anwendung kritischen Verlustleistung im Kabel kommt. Die Stromstärke liegt in der Regel unter 0,5 A. Die bislang gängigen Querschnitte für Signalleitungen im Automobil liegen zwischen 0,35 und 0,75 mm2. Dagegen sind Powerleitungen für die Stromversorgung der Verbraucher zuständig. Die Leitfähigkeit spielt dabei eine zentrale Rolle. Die Stromstärke liegt über 0,5 A und die Querschnitte sind von 0,5 bis 95 mm2 breit gestreut.

Bei Signalleitungen sind auch kleinere Querschnitte möglich

Ein wesentlicher Aspekt bei der Betrachtung der Alternativen im Bereich Signalleitungen ist die mechanische Belastbarkeit. So wirken beim Einbau eines Kabelstrangs ganz bestimmte Zugkräfte auf ihn. Um eine Beschädigung zu vermeiden, fordern derzeit die meisten OEMs eine Mindestzugfestigkeit, die einer Leitung von Typ 0,35 entspricht.

Eine Gewichts- und Bauraumreduktion durch Querschnittsreduktion allein ist mit konventionellem, weich geglühtem Kupfer nicht mehr möglich. Es müssen höherfeste Materialien zum Einsatz kommen. Kupferlegierungen bieten mit ihrer erhöhten Zugfestigkeit eine klare Alternative. So sind mit Messing, Bronze oder Kupfer-Magnesium Alternativen vorhanden, die eine Querschnittsreduktion von 0,35 mm² auf bis zu 0,09 mm² zulassen. Neben Legierungen wie Kupfer-Magnesium lassen sich auch so genannte Komposite, wie beispielsweise kaschierte Materialien einsetzen. Ein Vertreter dieser Gruppierung ist der kupferkaschierte Stahldraht (CCS).

Kleinere Querschnitte sind nicht immer kostengünstiger

Eine Querschnittsreduktion bedeutet jedoch aus mehreren Gründen nicht automatisch eine Kostenreduktion. Zum einen steigt mit höherfesten Materialien sowie bei extrem kleinen Querschnitten der Aufwand für den Drahtzug und das Verlitzen. Diese erhöhten Kosten für die Umarbeitung sowie für den Rohstoff selbst müssen durch Reduktion der Einsatzmenge (Querschnittsreduktion), welche wiederum zu erhöhten Umarbeitungskosten führt, aufgefangen werden. Zum anderen hängen alternative Werkstoffe und Legierungen ebenfalls vom schwankenden Rohstoffpreisniveau ab und werden auf anderer Metallbasis als Kupfer gehandelt (bis zu 20% höher als die gängige Börsennotierung von Kupfer). Mit Ausnahme von Messing und Aluminium sind sie meist teurer als Kupfer.

Kupfer-Silber eignet sich bestens zur Reduktion von Leitungsquerschnitten

Preislich interessant ist derzeit Kupfer-Silber. Wie viele andere Legierungen auch hat es eine höhere Zugfestigkeit und ist damit als Werkstoff zur Reduktion von Leiterquerschnitten geeignet. Es zeichnet sich besonders dadurch aus, dass die Leitfähigkeit gegenüber reinem Kupfer unwesentlich abnimmt. Aufgrund des verfahrenstechnischen Herstellungsprozesses der Legierung selbst wie auch der Litze ist es möglich, Lösungen mit diesem Werkstoff kostenattraktiv anzubieten.

Kupfer ist noch keineswegs ausgereizt

Auch am Kupferleiter selbst sind noch Verbesserungen möglich. Während des Drahtzugs wird das Material durch Umformprozesse verfestigt. Damit steigt die Zugfestigkeit um über das Doppelte gegenüber dem weich geglühten Zustand an. Im Gegenzug nimmt die Dehnung des Materials ab und fällt auf unter 2%. Um die von den OEMs derzeit noch geforderte Mindestzugfestigkeit zu erreichen, kann der Querschnitt auf 0,18 mm2 reduziert werden.

Wärmeauslegungeffekte bei ziehhartem Kupfer

Hartes Kupfer verändert unter Wärmeeinfluss seine Eigenschaften. Derzeit werden im Automobilbereich geglühte Litzen verwendet (Kupfer weich). Durch die Wärmezufuhr wird der Rekristallisationsprozess bei Kupfer gestartet, welcher das Gefüge verändert. Am Ende wird ein stabiler Zustand bei ca. 220 N/mm2 Zugfestigkeit und ca. 20% Dehnung erreicht, man spricht dann von weichem Kupfer. Die zur Einleitung des Rekristallisationsprozesses von hartem Kupfer notwendige Energie wird bereits unterhalb der oberen Gebrauchstemperatur von T2/T3 Anwendungen (105/125 °C) im Automobil erreicht. Sie startet je nach Vorbehandlung des Materials bereits bei Lagertemperatur. Dieser Umstand bedeutet, dass entweder bereits bei der Lagerung, jedoch spätestens bei Erreichen der oberen Gebrauchstemperatur im Automobil dieser Prozess angestoßen wird und die Zugfestigkeit des Materials abnimmt.

Bei thermischer Vorbehandlung nimmt die Anfangshärte von Kupfer ab

Es wird versucht, über eine spezielle thermische Vorbehandlung die Grenze für den Start der Rekristallisation etwas zu verschieben, so dass dieser knapp über der Lagertemperatur liegt. Dadurch wollen sie zumindest einen definierten Anlieferzustand beim Konfektionär bzw. OEM sicherstellen. Bei dieser thermischen Behandlung nimmt jedoch die Anfangshärte ab, so dass nur noch eine Querschnittsreduktion auf minimal 0,22 mm2 realisierbar ist. Die Gefügeveränderungen im Betrieb des Automobils treten weiterhin auf.

Aluminium ist zwar leicht, braucht aber mehr Platz

Aluminium bietet vor allem in Batterieleitungen von Autos Vorteile Während für den gesamten Kabelsatz das Thema Bauraum eine zentrale Rolle spielt, ist dies bei Batterieleitungen in der Regel nicht der Fall. Sie sind nicht in den Hauptkabelsatz integriert. Somit können auch alternative Leitermaterialien mit einer geringeren Dichte und weniger Leitfähigkeit eingesetzt werden: zum Beispiel Aluminium. Die gewünschte Gewichtsreduktion wird im Gegenzug zu einer Erhöhung des Leiterquerschnittes führen.

In vielen Automobilen wird Aluminium für Batterieleitungen verwendet

Ein weiterer und ganz wesentlicher Punkt bei der Betrachtung der Alternativen im Bereich der Batterieleitungen ist die Beibehaltung der elektrischen Leitfähigkeit. Beim Vergleich der Leitfähigkeit von Aluminium ergibt sich eine Querschnittserhöhung von 60% gegenüber dem Kupfer – unter der Maßgabe, dass der elektrische Widerstand identisch sein soll. Wird die Gewichtsersparnis unter Berücksichtigung der Querschnittserhöhung um den Faktor 1,6 ermittelt, so liegt diese dennoch für den Alu-Leiter selbst bei beachtlichen 50%. Sie werden daher zwischenzeitlich in einer Vielzahl von Automobilen im Batteriebereich eingesetzt. Die Leitungsquerschnitte von 10 bis 160 mm2 sind in einer Liefervorschrift deutscher OEMs genormt und setzen sich in dieser Form auch international durch.

Aluminiumoxid ist korrosionsbeständig, stört aber bei der Kontaktierung

Aluminium bildet an der Luft sehr schnell eine Oxidschicht. Diese macht das Metall selbst sehr korrosionsbeständig, führt aber bei der Kontaktierung zu Problemen, da der Übergangswiderstand zwischen Leiter und Kontaktteil zu hoch ist und durchbrochen werden muss. Zudem besitzt Aluminium ein natürliches Fließverhalten, das formschlüssige Verbindungen, wie sie beim konventionellen Crimpen entstehen, mit der Zeit locker werden lässt. Ein weiterer Nachteil ist die unterschiedliche Elektronegativität zwischen Aluminium und Kupfer. So entsteht grundsätzlich bei der Paarung von Metallen mit unterschiedlicher Elektronegativität und Zuführung eines Elektrolyts eine elektrochemische Korrosion. Diese zersetzt das unedlere Metall, in diesem Fall das Aluminium.

Ultraschallschweißen ermöglicht neue Möglichkeiten

Bisherige Kontaktierungsverfahren benötigen entweder zusätzliche Hilfsmittel oder Prozessschritte und sind teilweise zudem durch Patente geschützt, was sie ökonomisch und strategisch nicht immer attraktiv erscheinen lässt. Eine klare Alternative hierzu ist das bereits bei Kupfer etablierte und ohne Einschränkungen nutzbare Ultraschallschweißen. Dies eröffnet neue Kombinationen von Kabeln, Kontaktteilen und Kontaktierung. In diesem Zusammenhang wurden auch Aluminium-Batterieleitungen von Leoni mit Querschnitten von 10 bis 27 mm2 qualifiziert.

Sowohl Kupfer als auch Alternativen haben Zukunft

Letztendlich besteht die Möglichkeit, eine Vielzahl von Materialien als Leiterwerkstoff einzusetzen. Kupfer wird auf absehbare Zeit ein wichtiger Werkstoff für die Automobilindustrie bleiben. Der teilweise Ersatz wird zunehmen, doch keinesfalls durch die Nutzung einer einzigen Alternative. Vielmehr kommen bedingt durch physikalisch-chemische Eigenschaften, Verfügbarkeit und Preis der einzelnen Materialien unterschiedliche Einsatzbereiche in Frage. Leoni ist daher dazu übergegangen, eine Vielzahl von Alternativen für individuelle Anwendungen zu entwickeln. Die Autohersteller haben so die freie Auswahl.

Der Autor Dr. Markus Schill ist Mitarbeiter der Leoni Kabel GmbH in Roth.

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