Stromschienen

M.TEC entwickelt als Engineering-Dienstleister Lösungen im Bereich umspritzte Stromschienen für die Elektromobilität.

Stromschiene (Entwicklungsbeispiel)

Die umspritzte Stromschiene (engl. overmolded busbar) dient der sicheren Leitung des elektrischen Stroms zwischen Hochvoltspeicher, Steuergerät, Antrieb und Ladeeinheit.

Wesentliche Herausforderungen in der Entwicklung & Konstruktion:

Elektrische Trennung / Isolierung

Die Hauptfunktionen der Stromschiene sind die sichere, kurzschlussfreie Leitung der elektrischen Energie zwischen dem Stromspeicher und den Antriebs- und Ladekomponenten sowie der Schutz von Montage- und Werkstattpersonal vor dem Berühren spannungsführender Bauteile.

Funktionserfüllung und Produzierbarkeit im Widerspruch

Der beengte Bauraum macht es notwendig, die Busbars in platzsparender Weise anzuordnen und dabei gleichzeitig eine ausreichende Isolierung (Luft- und Kriechstrecken) und den Berührschutz sicherzustellen. Entsprechende Bauteilkonzepte müssen darüber hinaus in vollautomatischer Weise sicher produzierbar sein. In der Regel sind mehrstufige Produktionsprozesse nötig, um Stromschienen herzustellen. Im Rahmen der Entwicklung einer solchen Komponente spielen vor allem das Werkstoffverhalten, die unterschiedlichen Fertigungsprozesse (Stanz-Biegen, Spritzgießen, Handling, Materialfluss) und die Wechselwirkungen von unterschiedlichen Materialien eine Rolle.

M.TEC berücksichtigt alle diese produkt- und produktionsrelevanten Einflüsse bei der Konzeption und Entwicklung von Stromschienen.

Thermoschocktest, Temperaturwechselbeständigkeit

Automobilkomponenten werden scharfen Temperaturwechseltests und Temperaturschocktests unterzogen. Stromschienen werden aus mehreren Materialien (Kupfer, Thermoplaste, Elastomere) mit sehr unterschiedlichen thermischen Eigenschaften (Wärmeausdehnungskoeffizient) hergestellt. Temperaturschocktests, bei denen die Bauteile im schnellen Wechsel erwärmt und abgekühlt werden, können zu Beschädigungen an den Bauteilen und dem Versagen bei den Tests führen. Mögliche Fehler oder Schäden sind übermäßiger Bauteilverzug, Risse im Kunststoff oder ein Ablösen der Verbindung von Kunststoff und Kupfer. Die Folge ist der Verlust der Isolationswirkung, das Eindringen von Feuchtigkeit und damit Korrosion und elektrische Kurzschlüsse.

Frühe Absicherung der technischen Konzepte

In der Entwicklung führt M.TEC von Beginn an thermische Simulationen zur Ermittlung der Werkstoffbelastung durch. In vielen Fällen werden faserverstärkte Thermoplaste eingesetzt. Deshalb werden die Finte-Elemente-Simulationen mit Füllsimulationsberechnungen ergänzt, damit die Faserorientierung als entscheidende Einflussgröße berücksichtigt ist. Damit wird die Entscheidung für ein Konzept einfacher und die Projektrisiken geringer.

Bestromungstests

Bestromungstests der Stromschienen bilden Fahrzyklen und Ladezyklen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen in besonders scharfer Form nach. Dabei werden bewusst große Temperaturunterschiede und -wechsel in der Stromschiene erzeugt, die aus dem Fahrbetrieb resultieren. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien, aus denen die Stromschienen aufgebaut sind, kommt es zu großen thermischen Spannungen in den Bauteilen. Das kann zu Fehlern und Schäden führen, wie z. B. starker Bauteilverzug, Risse im Kunststoff oder Ablösen des Kunststoffes vom Kupferleiter. Die wesentlichen Bauteilfunktionen sind dadurch gestört oder nicht mehr gegeben, die Bauteile versagen und die Tests werden nicht bestanden.

Realitätsnahe Voraussagen durch thermische Simulationen

M.TEC nimmt diese Tests durch Finite-Elemente-Simulationen schon früh in der Entwicklung vorweg. Häufig kommen faserverstärkte Thermoplaste zum Einsatz. Die Faserorientierung in den Bauteilen, die sich aus dem Produktionsprozess ergibt, ist für die Belastbarkeit des Werkstoffs entscheidend. M.TEC ermittelt die Faserorientierung durch vorgeschaltete Füllsimulationen und bezieht diese wichtige Einflussgröße in die Finite-Elemente-Berechnungen mit ein.

Abdichtung / Dichtigkeit

Wenn die Abdichtung nicht vollständig gegeben ist können Medien von außen an die elektrischen Kontakte gelangen (Feuchtigkeit, Staub, Schmutzpartikel, Salze, Reinigungsmittel, Öle, Fette, Bremsflüssigkeit etc.). Dadurch kommt es zu Funktionsstörungen oder Beschädigungen der Stromschiene und verbundener Bauteile. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Kurzschluss, der auch den Hochvoltspeicher und die Elektronik beschädigen kann. Andere Schadensbilder, die sich über längere Zeit entwickeln und schließlich zum Funktionsausfall führen, sind etwa schleichende Korrosion und Abrieb an Steckkontakten. Die Dichtung muss in der Regel auch nach einer Demontage des Bauteils zu Wartungszwecken und der erneuten Montage genauso sicher wie vorher funktionieren.

Dichtungsauslegung – Bauteilverzug und Toleranzen

Grundlage für die Entwicklung einer dauerhaft funktionierenden Dichtung bei M.TEC sind frühzeitige Toleranzanalysen und eine Minimierung des Bauteilverzugs mithilfe von Füllsimulationen. Als Werkstoffspezialisten legen die Ingenieure von M.TEC die Dichtung mithilfe von Finite-Elemente-Analysen so aus, dass sie über die Lebensdauer und die geforderten Montage- und Demontagezyklen hinweg zuverlässig ihre Funktion erfüllt.

Die Toleranzen, Materialeigenschaften und Belastungen betrachtet M.TEC ganzheitlich und entwickelt Dichtungen, die die Anforderungen dauerhaft erfüllen.

Lange Lebensdauer

Die Stromschiene muss über die Lebensdauer hinweg fehlerfrei funktionieren. Kommt es zu einem Versagen, entstehen in Einzelfällen hohe Reparaturkosten. Bei einem systemischen Fehler müssen ggf. sogar Rückrufaktionen durchgeführt werden. Gründe für ein Versagen kommen aus den Belastungen beim Verbau im Fahrzeug, dem Fahrbetrieb und aus Umwelteinflüssen. Im Fahrbetrieb wirken hauptsächlich thermische Belastungen und mechanische Kräfte auf die Stromschiene, z. B. Schwingungen, Schläge oder Verwindungen. Umweltbelastungen ergeben sich vor allem durch den Einfluss von Medien wie Wasser, Staub, Sand, Salz und Chemikalien, oft in Kombination mit klimatischen Einflüssen.

Belastungen und Werkstoffeigenschaften richtig verstehen

Um ein Produkt mit hoher Lebensdauer zu entwickeln ist es nötig, alle diese Belastungen zu kennen und ihre Auswirkungen richtig einzuordnen. Die zugehörigen Tests für die Bauteilprüfung, die häufig vorgegeben sind, bilden die Grundlage für die Definition der Lastfälle. Die Lastfälle wiederum fließen in die entwicklungsbegleitenden Simulationen und Berechnungen ein.

Als Werkstoffexperten haben die Ingenieure von M.TEC das Wissen darüber, wie sich die Werkstoffkennwerte unter den Umgebungseinflüssen mit der Zeit verändern. Als Produktentwickler legen sie Bauteile wie z. B. eine Stromschiene so aus, dass Funktionalität, Belastbarkeit und robuste Produktion gleichermaßen gewährleistet sind.

E-Mobility HV-Komponenten – Übersicht

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