Bordnetz Alu statt Kupfer

In Zusammenarbeit mit Forschern bei BMW haben Wissenschaftler der TU München (TUM) herausgefunden, mit welchen Tricks es möglich ist, Kupfer durch Aluminium im Fahrzeug-Bordnetz zu ersetzen.

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In modernen Fahrzeugen mit (teil-) elektrischem Antrieb wird nach wie vor auf das Leitermaterial Kupfer gesetzt, obwohl Aluminium leichter und vor allem kostengünstiger ist. Doch will man in der Elektrik Kupfer durch Alu ersetzen, lauern einige Probleme. Vor allem bei höheren Temperaturen zeigt Aluminium ein deutliches Kriechen. Konventionelle Verbinder sind daher nicht einsetzbar, da sie nicht dauerfest wären.

Auch 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.

Projekt „Leiko“

Um den technologischen Problemen entgegenzutreten, entwickelten Forscher der Lehrstühle für Hochspannungs- und Anlagentechnik sowie für Umformtechnik und Gießereiwesen in Kooperation mit BMW im Rahmen des Projekts „Leiko“ ein neues Kontaktierungskonzept auf Aluminiumbasis.

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

Keilförmige Aluminium-Kontakte

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 verbessert. Durch den durchgängigen Einsatz von Aluminiumlegierungen und die Beschichtung mit edleren Metallen haben die Wissenschaftler nach eigenen Angaben zudem die Bildung korrosionsträchtiger Lokalelemente auf unkritische Stellen im Gesamtaufbau verlagert.

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.

Neues Projekt zum Alterungsverhalten

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

Erste Ergebnisse deuten laut der TU München 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 weiter steigen wird,” sagt Professor Udo Lindemann vom Lehrstuhl für Produktentwicklung der TU München.

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

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