Bordnetze und Powermanagement

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.

Das Atomgewicht von Kupfer Cu beträgt 63,546. Die Elektronenkonfiguration ist [Ar]3d¹⁰ 4s¹, Cu beteiligt sich mit 1 bis 2 Elektronen an Bindungen. Die Dichte von Cu beträgt 8,92 g/cm³. Der spezifische elektrische Widerstand ist 1,7 · 10⁻⁶ Ω 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]3s² 3p¹, Al besitzt damit drei Bindungselektronen. Die Dichte von Al beträgt 2,70 g/cm³. Der spezifische elektrische Widerstand ist 2,65 · 10⁻⁶ Ω cm (Elektro-Aluminium 2,8 · 10⁻⁶ Ω cm).

Aluminiumleiter werden zur Gewichtseinsparung und zur Kostenreduktion eingesetzt.

Kap. 3 beinhaltet die Beschreibung der Verfahren für die Verbindungen zwischen Kabel und Leiter.

Löten, Crimpen, Schweißen und Einpressen

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.

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.

Schmelzsicherungen dienen im Bordnetz der Absicherung von Leitungen und Geräten.

Halbleiterschalter gewinnen im KFZ-Bereich immer mehr an Bedeutung, sei es als geregelter Lichtschalter, Motorregler, Sicherung oder im Einsatz für Wechselrichter in Hybrid- und Elektrofahrzeugen.

Im Spannungsbereich bis ca. 100 V werden MOSFETs eingesetzt, über 100 V IGBTs. Für Elektrofahrzeuge mit hoher Reichweite kommen zudem Halbleiter mit breitem Bandabstand, wie SiC, zum Einsatz.

Es wird erläutert, wie die Verluste und der Wirkungsgrad eines Wechselrichters ermittelt werden und die Leistungselektronik für die Fahrzeuglebensdauer ausgelegt wird.

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: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.

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.