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Motorsport Engineering

„Würth Elektronik eiSos“: Im E-Boliden getestet

| Autor/ Redakteur: Christian Otto / Maximiliane Reichhardt

Hochstromkontakte sind zwar unscheinbare Bauteile. Doch ihr Einsatz in der Formel-E zeigt, was die Komponenten leisten können. „Würth Elektronik eiSos“ will die dortigen Entwicklungserfahrungen für den Einsatz in Serien-E-Fahrzeugen nutzen.

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Im Audi E-Tron FE 04 des Teams Audi Sport Abt Schaeffler setzt man auf die robusten Elektronikkomponenten von Würth Elektronik Eisos.
Im Audi E-Tron FE 04 des Teams Audi Sport Abt Schaeffler setzt man auf die robusten Elektronikkomponenten von Würth Elektronik Eisos.
(Bild: Audi Communications Motorsport/Michael Kunkel)

Die Kontaktierung ist bei hohen Strömen ein komplexes Thema: Verschiedene Einflussgrößen wie Wärmeentwicklung, Widerstand, Bauteilgröße und mechanische Zuverlässigkeit müssen bedacht werden.

Der Hersteller von elektronischen und elektromechanischen Bauteilen „Würth Elektronik eiSos“ bietet in diesem Bereich schon seit mehreren Jahren eine eigene Produktreihe namens Redcube am Markt an. Den Namen erhielten die Bauteile wegen ihrer überwiegend quadratischen Form. Das Produktportfolio wurde nun nochmals erweitert.

Robustheit gefragt

Die würfelförmigen Hochstromkontakte, die als Anschlüsse auf Leiterplatten fungieren, stehen laut den Entwicklern von Würth Elektronik Eisos vor allem für Robustheit. So sind beispielsweise die Redcube-Terminals aus Messingvollmaterial gefräst. Das soll im Vergleich zu gestanzten Blechkonstruktionen qualitativ deutlich hochwertiger sein.

Und das ist notwendig, da bei Hochstromanwendungen mehrere Anforderungen zusammenkommen, die eine sorgfältige Auswahl der elektromechanischen Bauteile verlangen. Beim Thema erneuerbare Energien sowie insbesondere beim Einsatz im Bereich der Elektromobilität steigt der Bedarf nach hochwertigen Hochstromkontakten laut Würth Elektronik Eisos derzeit enorm.

Dass das Unternehmen in Sachen Elektromobilität nicht nur theoretische, sondern auch praktische Erfahrungen sammelt, zeigt das schon seit Beginn der Formel-E-Rennserie währende Engagement. Würth Elektronik Eisos unterstützt dabei seit 2014 das Team Audi Sport Abt Schaeffler. Dabei geht es der Würth-Tochter jedoch nicht nur um den Marketingeffekt, den die Präsenz in der wachsenden Rennserie bringt, sondern um die Ergebnisse, die aus der Technologiepartnerschaft resultieren. So sind z.B. seit der zweiten Saison Redcube-Terminals auf den Platinen des Wechselrichters verbaut, der in den Boliden des Rennteams zum Einsatz kommt. Und die Technik wird gemeinsam weiterentwickelt: In der dritten Saison optimierten Würth Elektronik Eisos und ABT Sportsline die Stützbatterie für das Cockpit. Darüber hinaus entwickelten die Partner das dazugehörige Batterieladegerät.

Hartes Auswahlverfahren

Die Entwicklung der Leistungselektronik für den Rennboliden hat Compact Dynamics übernommen, heute eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Schaeffler. Das Unternehmen mit Sitz in Starnberg bei München ist Entwicklungsspezialist auf dem Gebiet elektrischer Antriebskonzepte. Ein Fokus liegt auf Hochleistungsantrieben sowie integriertem Leichtbau in Kleinserien und Motorsportanwendungen. Seit vielen Jahren bestand bereits eine Partnerschaft zwischen Schaeffler und Compact Dynamics, unter anderem auch bei der Entwicklung des elektrischen Antriebs für das Team Audi Sport Abt Schaeffler in der FIA Formel-E-Rennserie.

Deshalb war auch Compact Dynamics mit der Auswahl der Komponentenlieferanten betraut und wählte Würth Elektronik Eisos. Eine entscheidende Rolle für die Wahl des jeweiligen Bauteils und Zulieferers spielen die Rahmenbedingungen: Es geht vor allem um Geschwindigkeit, Beschleunigung und Vibrationen. Der E-Tron FE 04 Formel-E-Rennwagen erreichte reglementbestimmt Spitzenwerte von 225 km/h.

Im Rennmodus erfährt ein Formel-E-Auto eine maximale Längsbeschleunigung von circa 3,5 g. „Deutlich höhere Beschleunigungen wirken auf die Komponenten jedoch bei Curb-Überfahrten oder Unfällen. Hier sind Werte von über 50 g schadlos zu überstehen, da auch in diesem Fall der Wechsel von Antriebskomponenten mit Strafen belegt würde“, erklärt Johannes Klötzl, Leiter Entwicklung Elektronik bei Compact Dynamics.

Daraus ergebe sich die Hauptanforderung: Die Kontakte müssen robust und unanfällig für Vibrationen und Erschütterungen sein, und das auf lange Zeit.

Enormer Technologiesprung

„Wir sehen die Partnerschaft mit Audi und die Zusammenarbeit mit Compact Dynamics als ein einzigartiges Labor, Komponenten unter Extrembedingungen einzusetzen und neue technische Lösungen voranzubringen“, sagt Oliver Opitz, der bei Würth Elektronik Eisos das Engagement in der Formel-E auf Technikseite verantwortet. Und Opitz verweist auf die hohe Geschwindigkeit, in der sich die technischen Rahmenbedingungen verändern: „Die Entwicklung für die Zukunftstechnologie ist erstaunlich, wenn wir hervorheben, dass sich in fünf Jahren die Batteriekapazität von 28 kWh auf 54 kWh verdoppelt hat und die maximale E-Motorleistung für die aktuelle Saison 2018/19 um 25 Prozent angehoben wurde.“

Die Formel-E hat sich in den vergangenen Jahren auch zum sportlichen Testfeld für die Elektromobilität entwickelt. Vor allem die Batterie, die knapp ein Viertel des Gesamtgewichts des Formel-E-Boliden ausmacht, zwingt die Ingenieure dazu, in allen anderen Bereichen Bauraum einzusparen und Kompaktheit zu priorisieren.

Auch hier hat Würth Elektronik Eisos sich mit einem zentralen Bauteil des Inverters positioniert: Die sogenannten Redcube-Press-Fit-Terminals stellen in sehr kompakter Bauweise die Hochstromverbindung zwischen zwei gegenüberliegenden Platinen her. Dabei sind sie extremen Lastfällen ausgesetzt: Die würfelförmigen Hochstromkontakte müssen beispielsweise im Qualifying Spitzenwerten von 250 kW und im Rennen 200 kW standhalten.

Testfeld Formel-E

In der zusammen mit Compact Dynamics entwickelten Applikation werden enorme Dauer- und Spitzenströme erreicht: „Wir reden von Spitzenströmen von circa 500 Ampere sowie Dauerströmen von circa 300 Ampere bei einer maximalen Temperatur von circa 80° Celsius. In Summe geht es um sehr hohe Ströme und möglichst geringen Bauraum bei zugleich sehr geringer Wärmeentwicklung“, sagt Wladimir Werz, Produktmanager für den Bereich Elektromechanik bei Würth Elektronik Eisos.

Dass die für die Formel-E konzipierten Produkte auch in die Serie überführt werden könnten, liegt für die Technologiepartner auf der Hand. Zwar würden zwischen Rennsport und Serienfahrzeugen immer deutliche Unterschiede bestehen. Doch aus Sicht von Compact Dynamics ist gerade die Formel-E ein hervorragendes Testfeld für die Serienentwicklung der nächsten Generation an E-Antrieben. Entscheidend ist aber nicht nur die Robustheit. „Viel wichtiger sind die Themen Miniaturisierung, Integration und Effizienz, die in der Serie mindestens den gleichen Stellenwert haben wie in der Formel E“, erklärt Oliver Blamberger, Geschäftsführer von Compact Dynamics.

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