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Über dieses Buch

In diesem Buch findet sich neben den aus der Elektrotechnik und Werkstoffkunde bekannten Grundlagen auch ein spezielleres Kapitel (Kap. 5) zur wärmtechnischen Auslegung von Leitungen und Bordnetzkomponenten. Aus der Vektoranalysis werden die grundlegenden Gleichungen der Wärmeleitung hergeleitet. Es wird aber auch auf den Praxisbezug Wert gelegt. Dieser wird durch Übungs- bzw. Klausuraufgaben aus der Vorlesung „Bordnetze und Leistungshalbleiter“ untermauert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung Bordnetzstrukturen

Im Bordnetz werden sowohl elektrische Energie sowie Informationen transportiert. Vergleicht man ein Fahrzeug mit einem menschlichen Körper, so sind die Kabel die Blutbahnen und Nervenstränge gleichermaßen. Das Bordnetz besteht physikalisch aus dem Kabelsatz bzw. aus mehreren Teilkabelsätzen. In den Kabelsätzen (KS) moderner PKWs werden einige Kilometer an Kabeln und Leitungen verbaut, einige tausend Kontaktstellen sind verbunden, gewichtsmäßig liegt man im Bereich von 50 kg (Abb. 1.1). Die Bedeutung des Kabelsatzes kann man auch an seinem Preis ermessen. Er ist das teuerste Zukaufteil für PKWs (auch teurer als z. B. der Motorblock).
Daher wird der KS-Entwickler mit hohem Aufwand daran arbeiten Gewicht und Kosten einzusparen und er muss bestrebt sein, dies mit stetig wachsenden Qualitätsanstrengungen zu tun.
Hat z. B. ein KS 2000 elektrische Kontakte und dieser würde mit einer Fehlerquote von 0,5 ‰ für die Kontaktierungen produziert, so wäre jeder KS praktisch fehlerhaft. Nur Fehlerraten im Bereich unter Eins zu einer Million sind akzeptabel. Kap. 8 ist deshalb der KS-Prüftechnik gewidmet.
Der Einsatz von Mikroprozessoren und Halbleitern erfordert eine EMV-feste Konstruktion im Bordnetz und den dazugehörigen Leitungen. Die EMV wird in diesem Buch, dort wo es erforderlich ist, angesprochen bzw. es wird auf die DIN 40 839 verwiesen.
Gerhard Babiel

2. Kabel und Leiter

Das Atomgewicht von Kupfer Cu beträgt 63,546. Die Elektronenkonfiguration ist [Ar]3d\({}^{10}\)4s\({}^{1}\), Cu beteiligt sich mit 1 bis 2 Elektronen an Bindungen. Die Dichte von Cu beträgt 8,92 g/cm\({}^{3}\). Der spezifische elektrische Widerstand ist 1,7 \({\cdot}\) 10\({}^{-6}\)\({\Upomega}\) cm.
Kupferleiter gibt es auch verzinnt, versilbert oder mit anderen Edelmetallen beschichtet. Verzinnte Leiter sind besonders korrosionsbeständig, versilberte haben eine gute Leitfähigkeit für Hochfrequenzanwendungen (Skin-Effekt).
In der Elektrotechnik verwendet man E-Cu mit einem Reinheitsgrad von \(> \) 99,9 % bzw. OF-Cu mit einem Cu-Anteil \(> \) 99,95 %.
Der Sauerstoffanteil ist entscheidend für die Löt- und Schweißbarkeit. Der Sauerstoffanteil kann durch geringe Phosphorzugaben gebunden werden und damit die Löt- und Schweißfähigkeit verbessert werden. Man kann auch zwischen verschiedenen Härtegraden wählen. Durch Glühen – Ausheilen von Kristallbaufehlern – wird Kupfer weich.
Das Atomgewicht von Aluminium beträgt 26,981538. Die Elektronenkonfiguration ist [Ne]3s\({}^{2}\)3p\({}^{1}\), Al besitzt damit drei Bindungselektronen. Die Dichte von Al beträgt 2,70 g/cm\({}^{3}\). Der spezifische elektrische Widerstand ist 2,65 \({\cdot}\) 10\({}^{-6}\)\({\Upomega}\) cm (Elektro-Aluminium 2,8 \({\cdot}\) 10\({}^{-6}\)\({\Upomega}\) cm).
Aluminiumleiter werden zur Gewichtseinsparung und zur Kostenreduktion eingesetzt.
Gerhard Babiel

3. Verbindungstechnik

Kapitel 3 beinhaltet die Beschreibung der Verfahren für die Verbindungen zwischen Kabel und Leiter.
Löten
Crimpen
Schweißen
Das Löten ist das Verbinden von Metallteilen durch eine Metalllegierung (das Lot) unter Einfluss von Wärme/Hitze. Die Schmelztemperatur des Lotes liegt unterhalb der anderen zu verbindenden Metalle. Ab einer bestimmten Temperatur fließt das geschmolzene Lot zwischen die beiden Metallteile. Unter günstigen Voraussetzungen kommt es zwischen dem Lot und den Metallen zu einer festen, dichten, korrosionsbeständigen, strom- und wärmeleitenden Verbindung.
Crimpen ist die am meisten eingesetzte Verbindungstechnik in Bordnetzkabelsätzen. Crimpen ist das Verquetschen eines Kontaktteils mit einem litzenförmigen Leiter. Das Kontaktteil muss auf den Leiter abgestimmt sein und es muss ein definiertes Crimpwerkzeug verwendet werden, damit eine einwandfreie Kontaktierung entsteht.
Beim Schweißen werden zwei Metallteile gasdicht verbunden. Die Festigkeit der Schweißstelle ist gleichhoch oder höher als die der beteiligten Metalle.
Gerhard Babiel

4. Hochfrequenzleitungen

Signale und Informationen werden im KFZ zumeist über Busleitungen übertragen. Dabei werden die Datenraten und damit auch die Übertragungsfrequenzen immer höher. Die Hochfrequenzeigenschaften von Leitungen gewinnen so auch immer mehr an Bedeutung.
In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Wellenausbreitung elektromagnetischer Wellen auf Leitungen und allgemein behandelt. Insbesondere wird auf mögliche konstruktive Qualitätsprobleme hingewiesen.
Gerhard Babiel

5. Wärmeausbreitung

Bei der Entwicklung von neuen elektronischen Bauteilen und Systemen der Leistungselektronik ist es wünschenswert, vor dem Hardwaretest die Erwärmung von Bauteilen berechnen zu können. Sowohl die kurzfristige Bauteiltemperatur als auch die sich einstellende Temperatur bei Dauerbetrieb sind von Interesse, weil sie im direkten Zusammenhang mit der Lebensdauer der Bauteile stehen.
Erwärmt sich z. B. ein konventioneller Siliziumtransistor kurzzeitig über 200 °C, führt dies zur sofortigen Zerstörung, weil sich die Bonddrähte vom Chip lösen.
Wird der Transistor bei der maximalen Betriebstemperatur gefahren, erfüllt er seine Funktion zumindest über die garantierte Lebensdauer z. B. 10.000 Stunden bei 150 °C am Silizium.
Will man das Bauteil innerhalb der spezifizierten Grenzen betreiben, muss man jedoch die Temperaturentwicklung in Abhängigkeit vom elektrischen Strom und der damit verbundenen Verlustleistung kennen.
Für die Abschätzung der Lebensdauer kommt für den Entwickler oft erschwerend hinzu, dass viele Bauteile sich in einem Gehäuse befinden und der direkten Temperaturmessung verschlossen bleiben. Auch hier sind vorab Berechnungen sinnvoll.
Bei der Lösung von wärmetechnischen Aufgaben stößt man im Allgemeinen auf eine komplizierte vierdimensionale Raum-Zeit-Differentialgleichung aus der Wärmelehre. Im Folgenden wird versucht, sich dort – wo es aus Symmetriegründen möglich ist – auf eine Dimension zu beschränken.
Im Kap. 5 werden Wege aufgezeigt, wie man zu vereinfachten wärmetechnischen Ersatzschaltbildern (Thermal Modeling) gelangt.
Gerhard Babiel

6. Sicherungen

Schmelzsicherungen dienen im Bordnetz der Absicherung von Leitungen und Geräten.
Ist beispielsweise ein Transistor innerhalb eines Steuergerätes durch Überbelastung durchlegiert, kann das eine Überhitzung des Gerätes verursachen. Im Extremfall kann dies zum Fahrzeugbrand führen.
Bei unzulässiger Überlast unterbricht der Schmelzleiter den Stromkreis und verhindert eine Überhitzung bzw. das Abbrennen von Bauteilen und Leitungen.
Im Bereich von 1 A bis 30 A kommen Flachstecksicherungen zum Einsatz (Abb. 6.1, Tab. 6.1).
„Die 1976 entwickelte Bauform der Flachstecksicherung ist nach DIN 72581/3C genormt und wird nur für Kleinspannungen, hauptsächlich in Kraftfahrzeugen, verwendet. Im Gegensatz zu den ATS-Sicherungen verfügt diese Bauform über eine Zertifizierung der Underwriters Laboratories (UL).
Ein gebräuchlicher Markenname ist ATO-Fuse (Automotive Technology Organization); dieser ist ein eingetragenes Warenzeichen der Littelfuse Incorporation, Des Plaines, Illinois, USA.
Baugrößen:
  • Niedrige Mini-Stecksicherung (low-profile mini fuse)
  • Mini-Stecksicherung (mini fuse)
  • Standard-Stecksicherung (ATO fuse)
  • Maxi-Stecksicherung (maxi fuse, 20–80 A)
Gängige Ausführungen sind die Standard-Flachsicherung und die Mini-Flachsicherung. Abschaltvermögen: 1000 A bei 32 V DC.
Die Bemessungsstromstärke von Standard- und Mini-Flachstecksicherungen wird durch die Farbe ihres Kunststoffkörpers gekennzeichnet.“ [1]
Gerhard Babiel

7. Halbleiter für Bordnetzanwendungen

Halbleiterschalter gewinnen im KFZ-Bereich immer mehr an Bedeutung, sei es als geregelter Lichtschalter, Motorregler, Sicherung oder als Strombegrenzer für den Start-Stopp-Anlasser.
Im Spannungsbereich bis ca. 100 V werden MOSFETs eingesetzt, über 100 V IGBTs.
Gerhard Babiel

8. Prüftechnik

Zur Sicherung der Kabelsatzqualität wird eine Reihe von Prüfungen durchgeführt. Eine detaillierte Beschreibung findet man in DIN 72 551 Teil 5, Mai 1992. Im Folgenden nur einige Stichwörter aus der genannten DIN:
  • Gesamtdurchmesser der Leitung, Exzentrizität und Mindestwandstärke
  • Anzahl und Durchmesser der Einzeldrähte
  • Schlaglänge: Die Schlaglänge ist die Leiterlänge, längs derer ein außenliegender Einzeldraht eine volle schraubenförmige Drehung (360°) vollführt [DIN 72 551 Teil5].
  • Elektrischer Widerstand des Leiters, Spannungsfestigkeit der Isolation
  • Abisolierbarkeit, Festsitz der Isolierung
  • Wärmeschrumpfung, Wärmedruckbeständigkeit
  • Wischfestigkeit der Kennzeichnung
  • Kältefestigkeit, Dynamische Biegebeanspruchung
  • Beschleunigte Lebensdauerprüfung
  • Chemische Eigenschaften nach thermischer Beanspruchung
  • Flammwidrigkeit
  • Thermische Stabilität der Isolierung
Insbesondere bei der Entwicklung alternativer Isolationswerkstoffe müssen alle Prüfungen nach DIN und ISO durchgeführt werden. Darüber hinaus sind bei der Neuentwicklung Kundennormen sowie die Kompatibilität zu bestehenden und zu neuen Stoffen zu beachten.
Beispielsweise kann es eine Unverträglichkeit vom Leitungsisolationswerkstoff zum Weichmacher in einem Klebeband geben.
Kommen neue Kraftstoffe wie E10 auf den Markt, müssen die Leitungen auf Resistenz getestet werden.
In den letzten Jahrzehnten hat man vergeblich versucht, den Isolationswerkstoff PVC durch einen halogenfreien Werkstoff zu ersetzen.
Gerhard Babiel

9. Hochvolt-Bordnetze

Die altbekannten 12 V/24 V-Nennspannungen für PKW/LKW-Bordnetze stoßen bei modernen Fahrzeugen an ihre Grenzen. Höhere Leistungen erfordern immer größere Kabelquerschnitte. Um dem entgegen zu wirken, hat man für elektrische Maschinen und Verbraucher zwischen 0,5 kW und 5 kW Nennleistung die 48 V- Spannungsebene eingerichtet.
Für Elektrofahrzeuge hat man die Hochvoltspannungsebenen für Gleichstrom und Wechselstrom definiert:
Für Gleichstrom (DC): 60 V bis 1500 V
Für Wechselstrom (AC): 30 V bis 1000 V
Gerhard Babiel

Backmatter

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