15. Kooperationsforum

Bordnetze

Das (r)evolutionäre Bordnetz
22. November 2012, Theater Ingolstadt

Bericht

  • Zweite Spannungsebene 48 Volt / Mehrspannungsbordnetze
  • Datenströme im Automobil bewältigen durch Ethernet
  • Kontaktierungstechnologie für Cu und Al
  • Arbeitskreis Bordnetz – aktuelle Themen

330 Teilnehmer und 22 Aussteller aus dem gesamten Bundesgebiet und 8 Ländern trafen sich zu diesen Themen auf dem 15. Kooperationsforum Bordnetze am 22.11.2012 in Ingolstadt. Dieses Forum wurde von Bayern Innovativ im Rahmen der Netzwerke BAIKA und BAIKEM und des Clusters Automotive ausgerichtet, in enger Zusammenarbeit mit dem Haus AUDI.

In seiner Keynote-Präsentation nahm Reinhard Prechler, Leiter Entwicklung Bordnetze, EMV und Antennen, Audi AG, die Herausforderungen für das
(r)evolutionäre Bordnetz aus OEM-Sicht unter die Lupe und machte klar, wohin "die Reise geht":

Neben den technischen Kennzahlen von Gewicht- und Teileumfang der Leitungssatzkomponenten spielen Konzernbaukasten und fahrzeugbezogener Einsatz eine entscheidende Rolle. Im Vergleich zum Jahr 1990 sind die Materialkosten im Verhältnis zu den Gesamtkosten des Leitungssatzes enorm gestiegen. Diese werden aktuell noch durch die Lohnkosten abgefangen. Für die Zukunft sieht Prechler weitere Potenziale vor allem im Ausbau der automatisierten Fertigung; dies ist auch im Hinblick auf Globalisierung und der Logistik zunehmend relevant. Im Bereich von Mehrspannungsbordnetzen und Hochvoltintegration ist der Anstieg der Komplexität, die Komponentenintegration sowie die Entstehung eines neuen Modulbaukastens im Fokus. Auch der Aspekt Leichtbau ist bzgl. Verbindungstechnologie nach wie vor ein Thema. In all diesen Bereichen wird eine Evolution der Technologien massiv vorangetrieben.

Die nachfolgenden Ausführungen sind wie folgt gegliedert:

Mehrspannungsbordnetze und die zweite Spannungsebene 48 Volt: Konzepte, Anforderungen, Entwicklung, Anwendungen

Neben dem Hochvolt-Bereich für Hybrid- und Elektroantrieb stellt in Zukunft auch die zweite Spannungsebene mit 48 Volt neue Anforderungen an das automobile Bordnetz und dessen E/E-Architektur.

Die ständig steigenden Anforderungen an die elektrische Stromversorgung für das konventionelle Kraftfahrzeug, getrieben durch die fortschreitende Elektrifizierung sowie CO2- und Verbrauchsreduzierung haben das heute etablierte 12-Volt-Bordnetz an seine Grenzen geführt. Seitens der Fahrzeughersteller Audi, BMW, Daimler, Porsche und Volkswagen wurde das Thema frühzeitig aufgegriffen, und eine erste Spezifikation einer zweiten Spannungsebene 48 Volt wurde erarbeitet – die LV148. Die Anforderung an die entsprechenden Komponenten, Leitungssatz sowie deren Prüfbedingungen werden darin festgelegt. Im Kontext sind dabei auch „mild hybrid“-Anwendungen, Rekuperation, StartStop sowie unterstützter Motorstart. Andre Radon, EE-Systemverantwortlicher 12V/48V Energiebordnetz, Audi AG, erläuterte als Mitautor der LV148 Details zu den Gründen für die Wahl dieser Spannungslage und den Anforderungen. Das OEM-seitige Fahrzeugkonzept sieht vor, dieses Netz vom vorhandenen 12V-Bordnetz über einen DC/DC-Konverter elektrisch zu trennen. Die Anforderungen an die Spannungsversorgung in Punkto Stabilität sowie die Bewertung gegen Kurzschluss oder Load Dump sind dort ebenfalls definiert.

Aus Sicht eines Bordnetz-Konfektionärs wurden die Aspekte Konzeption, Entwicklung und Industrialisierung im Kontext moderner Mehrspannungs-Bordnetzarchitekturen von Udo Hornfeck, Bereichsleiter Technologie- und Innovationsmanagement, Dräxlmaier Group, vorgestellt: Für 48 Volt-Bordnetzsysteme wird der Leitungs-Querschnitt reduziert werden können, was wiederum einen Benefit für den Bauraum und das Gewicht impliziert. Auch die Komponenten können in diesem Zusammenhang weiter miniaturisiert werden. In Punkto Energieeffizienz werden sowohl die Aspekte Rekuperation als auch die Effizienzsteigerung der elektr. Verbraucher positiv beeinflusst. Vier Varianten von Mehrspannungsbordnetzen sind umsetzbar: 12V, 12V/HV, 12V/48V, 12V/48V/HV.

Von der Konzeption her gibt es folgende Zielstellungen: ein definiertes Baukasten-System für Mehrspannungs-Bordnetze und eine Skalierung über Baureihen und Derivate hinweg. Im Bereich der Industrialisierung ist die weltweite Prozesssicherheit und die Automatisierung sowie die Prüftechnikentwicklung das erklärte Ziel.

Die Anforderungen an das Verdrahtungssystem im 48 Volt Mehrspannungsbordnetz wurden vom Bordnetz-Systemlieferanten Delphi durch Dr. Ole Mende, Global Innovation Director, Delphi Electrical/Electronic Distribution Systems eindrucksvoll an Hand von Laborexperimenten vorgestellt. Stark Material schädigend sind bei 48 V nicht selbstverlöschende Lichtbögen. Ein Hauptaugenmerk liegt auf deren Detektion und einer möglichen Abschaltung der 48 V Spannung. Durch hochflexible robuste Leitungen, Leitungsschutz und entsprechende Verlegewege kann hier die Wahrscheinlichkeit des Zündens von Störlichtbögen reduziert werden. Die elektrochemische Korrosion durch Salzlösung ist ebenfalls ein kritischer Aspekt. Hier werden Einzelkammer gedichtete Stecksysteme dringend empfohlen. Auch die Gesamtarchitektur wurde analysiert: Welche Fehlermodi 48V gegen 12V auftreten können (Masseschluss, Masseverlust, Spannungsschluss, Leitungsbruch) und welche Schutzmaßnahmen getroffen werden können: getrennte Verlegung, geschirmte Leitung und elektronische Absicherung

Verbindungstechnologien für Kupfer und Aluminium

Der Crimprozess von Cu ist nach wie vor von wesentlicher Bedeutung für das Bordnetz und über die Jahre technisch ausgereift. Dr. Hans Bauer, Entwicklung Leitungssatzkomponenten, Audi AG, diskutierte Maßnahmen für eine weitere Qualitätssteigerung aber auch die Bewertung alternativer Lösungen. Bisher galt das vornehmliche Augenmerk den Crimpverbindungen im Bordnetz. Crimpprozess, Kontaktportfolio und Prüfanforderungen sind hier gut etabliert.

Verbesserungspotenzial gibt es noch bei Crimpverbindungen in den Komponenten. Überprüfungen der Crimpqualität zeigten hier klare Schwachstellen auf und erfordern damit eine Überarbeitung der Crimpnorm, einer Neudefinition funktionaler maßlicher Vorgaben sowie die Entwicklung einer speziellen Crimpprüfung (Slow Motion Bending Test), die zusammen mit einem Kontaktteilehersteller entwickelt wurde. Ferner sind im Fokus der Crimp-Verbindung die Qualitätsprüfungen für extrem dünne Leitungen (0,13 mm2) und extrem dicke Leitungen (120 mm2): hier müssen stoffliche Verbindungstechnologien weiterentwickelt werden. Verschiedene Möglichkeiten wurden hierfür analysiert und bewertet. Die Wahl fiel letztlich auf Crimpschweißen mittels Laser. Hierzu wurde nun eine Crimpnorm und Prüfvorschrift für Komponenten definiert.

In zukünftigen Automobilen werden auch verstärkt Al-Leitungen zum Einsatz gelangen. Neben der Gewichtsersparnis wird auch der Kostenvorteil gegenüber Cu immer bedeutender. Daher wachsen an die Bordnetz-Lieferanten die Anforderungen, Al-Leitungen sowohl im Fahrzeuginneren als auch in höher beanspruchten Bereichen einzusetzen. Betrachtet werden dabei die aktuellen Fertigungstechnologien als auch zukünftig mögliche Techniken. Uwe Hessler, Senior Manager Advanced Technology & e-Mobility, Forschung Entwicklung/Research Development, Kromberg & Schubert stellte den aktuellen Stand für Verbindungstechniken für Aluminiumleitungen im Automobil aus seinem Hause vor. Bei der Substitution von Metallen in Meterware hat die Gewichtseinsparung bei Batterieleitungen den größten Impact, danach folgen Einspeiseleitungen, z.B. für Hochstromaggregate sowie Niederquerschnittsleitungen, die vor allem Sensor-/Daten- und stromtragende Leitungen repräsentieren. Potenzial bietet auch die Anbindung des Starter-Generators mit Al-Leitungen. Aus den Einsatzbedingungen auf dem Motorblock ergeben sich die Anforderungen: Bauraum, mechanische Robustheit (30g), elektr. Berührschutz, Mediendichtheit (Salznebel, Öle, Frostschutzmittel, Kraftstoffe, …) sowie Temperaturanforderungen (180°C bis 230°C) und Lebensdauer  (15 Jahre, 600.000 km). Während für die Fertigung der Cu-Leitungen 7 Prozessschritte definiert sind, werden bei Al 11 Schritte benötigt, um die Qualitätsstandards zu erreichen. Wichtige Prämisse bei der Entwicklung der Prozesse waren lizenzfreie Techniken.

Übertragungssicherheit für Ethernet: Signalintegrität und Möglichkeiten zur Umsetzung

Die Erweiterung der Kommunikationsfähigkeit des Fahrzeuges mit der Umwelt sowie weiter steigende Datenraten innerhalb des Fahrzeugs bedingen neue Konzepte zu deren Umsetzung. Mit dem Einzug von Ethernet im Fahrzeug können diese Punkte zunehmend realisiert werden. Dr. Michael Wollitzer, Leiter F&E, Rosenberger Hochfrequenztechnik, erläuterte die Anforderungen an Kabel- und Verbindungstechnologie für die Datenübertragung, der Signalintegrität sowie EMV im Kontext von Ethernet im Automobil. Hier liegt die Präferenz auf ungeschirmten Leitungen. Die Dämpfung von verdrillten Paaren ist ferner stark abhängig von der Isolierung. Bei PVC-Isolierung werden beispielsweise ca. 90% des Signales nach 1 m Leitungslänge absorbiert und ist damit für schnelle Datenleitungen nicht geeignet; man sollte hier auf XPE gehen. Auch sollten die Leitungen ummantelt sein um den Einfluss auf Wellenwiderstand und Dämpfungsanstieg zu verringern. Um das Übersprechen zu minimieren wurde von Rosenberger die Sternvierer-Topologie favorisiert, bei der sich aufgrund der Symmetrie der Leiter die Übersprechanteile zu null superponieren. Inzwischen wurden für diese Anforderungen ein eigener Automotive Stecksystem-Baukasten entwickelt.

Arbeitskreis Bordnetze – aktuelle und zukünftige Themen

Im Zuge von Optimierungs-Maßnahmen, die im Bordnetz realisiert werden können, hat sich der Arbeitskreis "Variantenvielfalt im Bordnetz und deren Auswirkung auf die gesamte Lieferkette" formiert. Zielstellung dieses Arbeitskreises ist es, den technischen und kommerziellen Einfluss einer hohen Variantenvielfalt in den einzelnen Prozessschritten (Engineering/Produktion/Logistik) transparent zu machen und nach Verbesserungspotenzialen zu suchen. Dr. Andreas Böhm, Leiter Cluster Automotive, Bayern Innovativ, stellte den Arbeitskreis vor. Im ersten Schritt wurde die Farbenvielfalt der Kabelquerschnitte im Kabelbaum betrachtet. Durch Reduzierung von Teilenummern könnten die Kabelkonfektionäre ihre Lagerbestände reduzieren und die Rüstzeiten minimieren. In Abstimmung mit den Konfektionären konnten über die Eruierung von "low-runner-Farben" ca. 200 Teilenummern eliminiert werden. Ziel ist, diese Positiv-Liste zur Kabelfarb-/Querschnittskombination als offizielles Dokument bei den OEMs einzuführen und als zukünftige Konstruktionsgrundlage zu verwenden. Weitere bereichsübergreifende Themen wie die Variantenreduktion von Komponenten (Halteteile, Wickelgüter, Batteriekabel) sind in Vorbereitung. Dies sind entscheidende Maßnahmen, um die zunehmende Komplexität in der Bordnetzfertigung noch beherrschen zu können.

Alle Beiträge machten deutlich, dass sich das Bordnetz der Zukunft im Wandel befindet. Die Trends sind mit Mehrspannungsbordnetz, schnellen Datenleitungen und Verbindungstechniken für neue Materialien klar gesetzt.

Diese Dynamik der Entwicklungen lässt bereits heute ein spannendes Forum "Bordnetze 2013" erwarten, das voraussichtlich am 19. November 2013  in München stattfinden wird in enger Zusammenarbeit mit dem Haus BMW.

Fachlicher Ansprechpartner 
Dr. Andreas Böhm
Tel. +49 911-20671-214
Fax +49 911-20671-766

Fachlicher Ansprechpartner 
Dr. Rupert Tkotz
Tel. +49 911-20671-165
Fax +49 911-20671-766

Diese Veranstaltungen könnten für Sie von Interesse sein:
28.07.2016, Neue Materialien Bayreuth GmbH
EU-Verordnung REACH: Textil, Kunststoff & Automobil
Informationsveranstaltung
20.09.2016, Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH, Bobingen
Prototypenbau - Herausforderungen und Möglichkeiten aus Anwendersicht
Cluster-Workshop
21.09.2016, Energie Campus Nürnberg
Bauwerkintegrierte Photovoltaik
Workshop
23.09.2016, Landratsamt Starnberg
Betrieb und Betreiber öffentlicher Ladeinfrastrukturen in Kommunen
Informationsveranstaltung Kommunale Elektromobilität