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Leitermaterial im Bordnetz: Aluminium statt Kupfer

In Fahrzeugen aller Art wird derzeit in der Regel Kupfer als Leitungsmaterial verwendet. Doch das Edelmetall ist, im Vergleich zu Aluminium, schwer und teuer. So wäre vor allem für vollelektrische Fahrzeuge ein Umsteigen auf das billigere und spezifisch leichtere Erdmetall Aluminium eine Option. In Zusammenarbeit mit Forschern beim Automobilhersteller BMW haben Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) nun herausgefunden, wie das Edelmetall Kupfer durch Aluminium ersetzt werden könnte. Vor allem die Verbindungstechnik stellt sich in diesem Zusammenhang als schwierig heraus. Auf dieses Thema geht auch ein Fachartikel, der in ATZelektronik 1/2011 am 9. Februar 2011 erscheinen wird, ein.

Probleme mit Aluminium als Leitermaterial sind jedoch an folgender Stelle zu finden. Denn vor allem bei höheren Temperaturen, wie sie auch im Auto an vielen Stellen auftreten, zeigt Aluminium ein deutliches Kriechverhalten, erklärt die TUM. Konventionelle Verbinder seien daher nicht einsetzbar. Sie wären nicht dauerfest. Eine mögliche Alternative, nämlich der Einsatz von aluminiumbasierten Elementen in den Kabeln sowie die Nutzung kupferbasierter Elemente in der Verbindungszone ist mit Schwierigkeiten behaftet. Denn zwischen dem Kupferkontakt und dem Aluminiumkabel bestehe ein großes elektrochemisches Potenzial. Solche Kabel wären stark korrosionsgefährdet, erläutert die TUM. Darüber hinaus sei das Fügen von Kupfer und Aluminium mit den heutigen Technologien relativ aufwändig. Um den genannten technologischen Schwierigkeiten entgegenzutreten, entwickelten Forscher der Lehrstühle für Produktentwicklung, 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, heißt es. Indem die notwendige Kontaktkraft nicht mehr durch die Kontaktelemente selbst aufgebracht werde, wandele sich das ursprünglich problematische Kriechverhalten von Aluminium in eine Kontakt stabilisierende und damit positive Eigenschaft. Damit sei 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, erläutert die TUM. Durch den durchgängigen Einsatz von Aluminiumlegierungen und die Anordnung der Beschichtung mit edleren Metallen sei es zudem möglich geworden, die Bildung korrosionsträchtiger Lokalelemente auf unkritische Stellen im Gesamtaufbau zu verlagern.

Ein weiteres Problem bei Aluminium sei außerdem 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 kraftfahrzeugtypischen Umgebungseinflüssen bestimmen zu können, konnten die Projektpartner gemeinsam mit 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. 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.

Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten sollen in das TUM-Elektrofahrzeug Mute Einzug halten, das auf der IAA 2011 vorgestellt werden soll.
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