Energy Backbone für die Stromverteilung Schienen statt Kabel

Aluminiumleiter statt Kabel vereinfachen die Netzarchitektur.
Starre Aluminiumleiter statt flexibler Kabel.

Der Kabelbaum gleicht inzwischen eher einer verschlungenen Kabelhecke – und die Komplexität des Bordnetzes wächst weiter. Starre ­Aluminiumleiter bieten hier bei der Energieverteilung Vorteile in puncto Gewicht, Stabilität und vollautomatische Fertigung.

In den letzten Jahren hat sich die automobile Fahrzeugentwicklung weg von einzelnen Fahrzeugprojekten hin zu globalen Fahrzeugplattformen gewandelt. Dank dieser Plattformstrategie sind zahllose individuelle Fahrzeugvarianten möglich. Wo früher vier bis fünf Jahre zielgerichtet bis zum SOP (Start of Production) an einem Fahrzeug entwickelt und erprobt wurde, haben heute zahlreiche Varianten (Kombi, SUV, Coupé, Van, Crossover,…) verteilt über die Plattformlebensdauer von gut zehn Jahren ihre Neuanläufe. OEMs können so schneller auf Neuerungen und Trends in der Motorenentwicklung und im Multimediabereich reagieren, und dank rascher Facelifts bleibt die Grundplattform immer optisch auf dem neuesten Stand.

Auch der Kabelbaum wird bei einer solchen Plattform ständig den Bedürfnissen angepasst, doch um kein Risiko einzugehen, bleibt man technisch eher auf der bekannten, sicheren Seite. Steht die nächste Generation der Fahrzeugplattform an, wird ebenfalls gerne auf Erprobtes zurückgegriffen, da ein völliger Neuaufbau der Verkabelung mit einem enormen Aufwand verbunden ist. Innovationssprünge bei der Kabelbaumarchitektur gibt es eher in den Nischen, etwa bei kleinvolumigen Sonderfahrzeugen oder bei neuen Automobilherstellern. Gerade bei Letzteren hindert nicht die Erfahrung aus vorangegangenen Fahrzeugen an der Neugestaltung, sondern die Ingenieure gehen unvorbelastet an die Bordnetzkonzeption. Beispiel Handy: Wer keine Tastatur-Entwicklungsmannschaft im Haus hat, verabschiedet sich eher von den Bedienmöglichkeiten über Knöpfe, um stattdessen Smartphones mit großen Touchscreens den Marktstart zu ermöglichen.

Neue Lösungen gesucht

Die Bordnetz-Entwickler stehen dabei vor einem ähnlichen Problem wie die Handybranche beim Tastaturproblem: Man braucht immer mehr Funktionen und damit Leitungen, aber weder hat man Platz dafür noch bringt ein Mehr an Leitungen irgendwelche Vorteile. Deshalb müssen grundsätzlich neue Lösungen und Architekturen gefunden werden.

Denn das Gewicht des heutigen Fahrzeugbordnetzes mit teilweise über 1500 Leitungen wird sich in den kommenden zehn Jahren praktisch verdoppeln. Der sogenannte kundenspezifische Kabelbaum (KSK) ist ein ausstattungsspezifisches Produkt, das selten zweimal gleich vorkommt. Die Komplexität dieser Kabelbäume entsteht durch die steigende Anzahl von elektrischen Verbrauchern, damit verbundene Signal- und Steuerleitungen und die benötigte Energieverteilung. Der Kabelbaum besitzt nicht mehr eine Aufbaustruktur, die der namensgebenden Metapher eines Baumes nahekommt. Sie gleicht eher einer Hecke. Der Trend zu alternativen Antrieben und vor allem Elektrofahrzeugen stellt die klassische Fahrzeugkonstruktion nun jedoch vor grundlegende Veränderungen. So bestehen Chancen, mit der Bordnetz-Architektur von Grund auf neu zu starten. Hierzu sind neben neuen Vernetzungskonzepten und der Inte­gration von Mehrspannungsbordnetzen auch alternative Werkstoffe und Technologien gefragt.

Kabel sind aus funktionaler Sicht unsinnig

Müssen Kabel flexibel sein? Die Ingenieure der Entwicklungsabteilung der Auto-Kabel Managementgesellschaft befassen sich seit über 16 Jahren mit Aluminium als alternativem Leitermaterial und dessen Verbindungstechnologien. Bereits 2005 stellten sie sich die Frage, warum ein 5 m langes 120-mm²-Aluminiumkabel flexibel sein und dazu aus über 600 Einzeldrähten bestehen muss. In der Leitungsverlegung werden erhebliche konstruktive Aufwendungen betrieben, die biegeschlaffe, flexible Leitung mittels Kabelschächten, Haltern und Clipsen in Form zu bringen und an die eher dreidimensionale Struktur des Unterbodens anzupassen.

Ohne Zweifel sind flexible Kabel, aufgerollt auf einer Kabeltrommel, ein standardisiertes Produkt, das überall konfektioniert werden kann, aber aus funktionaler Sicht des Fahrzeugs und dessen Anforderungen ist ein flexibles Kabel geradezu unsinnig. Schließlich soll die Leitung über die Fahrzeuglebensdauer möglichst statisch an ihrem Ort verweilen.

Starrer Aluminium-Flachleiter Energy Backbone

Auto-Kabel hat deshalb den „Energy Backbone“ für eine neue Energieverteilung entwickelt und 2008 bei zwei deutschen Premiumfahrzeugherstellern in Serie gebracht. Beim Energy Backbone handelt es sich um einen starren Aluminium-Flachleiter (Bild 1). Durch diesen Flachleiter kann trotz einer Querschnitterhöhung, die durch den ca. 60 % schlechteren Leitwert von Aluminium im Vergleich zu Kupfer oft erforderlich ist, eine Leitungsverlegung in jedem noch so kleinen Bauraum realisiert werden.

Bei einem Seitenverhältnis von typischerweise 1:4 bis 1:10 ist der Energy Backbone in speziell entwickelten Biegeverfahren dreidimensional geformt und schmiegt sich so exakt an die Fahrzeugkontur an (Bild 2). Dabei ist sowohl eine Unterbodenverlegung als auch eine Verlegung im Innenraum des Fahrzeugs möglich. Die durch den Leitungswiderstand hervorgerufene Erwärmung der Leitung unter Stromlast kann aufgrund der größeren Leiteroberfläche besser an die Umgebung abgeführt werden. Der dadurch gewonnene Temperaturpuffer kann somit genutzt werden, um den zuvor erhöhten Querschnitt wieder zu reduzieren, ohne die elektrische Performance zu verschlechtern.

Nach dem Ersteinsatz 2008 wurde dann gleich die nächste Evolutionsstufe entwickelt, die sämtliche Vorteile der Flachleitung ausnutzen sollte. Bei der Konstruktion des Rohbaus für das neue Fahrzeug wurde gleich eine Flachleitung vorgesehen, ohne eine Fallback-Ebene für Rundkabel einzuplanen. Somit konnte die Anzahl der Befestigungselemente weiter reduziert werden, sodass sich die Flachleitung bei optimiertem Leitungsverlauf und noch kleineren Biegeradien optimal an die Karosserie anschmiegt.

Weiterhin konnte bei der zweiten Generation auf ein flexibles Endstück verzichtet werden. Auf Komponentenebene wurden neuartige Verbindungstechniken sowie ein vollautomatisches Fertigungskonzept entwickelt, welche für flexible Rundleitungen gar nicht möglich wären. Durch ein neu entwickeltes Isolationsverfahren, das bei Rundleitungen ebenfalls nicht möglich ist, konnte die Isolationswandstärke von 1,3 mm bei klassischen Kabeln auf 0,5 mm reduziert werden, was gleichzeitig zu weiteren 0,4 kg Gewichtsersparnis im Gesamten führt. Weniger Leiterwerkstoff und Isolationsmaterial ist technisch praktisch nicht möglich.

Zur besseren Inte­gra­tion der Flachleitung in den Innenraum des Fahrzeugs wurde ein modular aufgebautes System aus Leitern und Verbindungstechniken entwickelt. Die enthaltenen Anteile flexibler Aluminium-Leitungen konnten im Querschnitt verkleinert werden, indem man den Querschnitt der Aluminium-Flachleitung entsprechend vergrößerte. So wird die Verlegung der flexiblen Leitung erleichtert und deren Bauraum reduziert. Im Gegenzug wird der Flachleiter durch die Querschnittserhöhung nur minimal dicker, was im Bauraum für Flachleitungen meist kein Problem darstellt. Der Gesamtwiderstand der Leitung bleibt dadurch vergleichbar zu einer klassischen Leitung eines durchgehenden Querschnitts. Auch ist es möglich, einen Leitungsanteil beispielsweise mit einem höherwertigen Isolationsmaterial zu versehen, den Rest der Leitung durch bedarfsgerechte Auswahl der Isolationswerkstoffe jedoch kostenoptimal zu gestalten.