Bordnetze

Hochvolt – Gewichtsreduktion – Automatisierung

30. November 2010, Theater Ingolstadt

Nachbericht

Das nächste Kooperationsforum "Bordnetze: Hochvolt - Leichtbau - Automatisierung" findet am 30. November 2011 in München statt.

13. Kooperationsforum Bordnetze

Bordnetz - zentrales System im Automobil
Hochvolt - Gewichtsreduktion - Automatisierung
Rekordzuspruch mit 400 Teilnehmern in Ingolstadt

Neue Fahrzeug-Konzepte und -Technologien führen auch für das Bordnetz zu tiefgreifenden Veränderungen und Eingriffen. Insbesondere Elektro-Fahrzeuge und die dafür notwendige Hochvolt-Technik bringen neue Anforderungen mit sich.
Aber auch gestiegene Ansprüche an Gewicht, Qualität und Kosten des Standard-Bordnetzes bei steigender Komplexität machen ein Umdenken notwendig. Dies rückt die Automatisierung der Bordnetz-Fertigung immer stärker in den Fokus.

410 Teilnehmer und 20 Aussteller aus dem gesamten Bundesgebiet und 5 angrenzenden Ländern trafen sich zum 13. Kooperationsforum Bordnetze im Theater Ingolstadt. Aus platztechnischen und feuerpolizeilichen Gründen mußte die bereits lange im Vorfeld überbuchte Veranstaltung vom museum mobile der Audi AG dorthin verlegt werden.
Die alle bisherigen Erfahrungen weit übertreffenden Teilnehmerzahlen spiegeln sowohl die positive Wirtschaftslage als auch das außerordentliche Interesse an aktuellen Entwicklungen im Bordnetz wider- der Hauptschlagader des Automobils. Diese reflektieren Entwicklungen, die sich für das Gesamtfahrzeug abzeichnen: zunehmende Elektrik/Elektronik, Gewichtsreduktion, neue Materialien, Automatisierung in der Fertigung und Elektrifizierung des Antriebes.

Die nachfolgenden Ausführungen sind wie folgt gegliedert:

Das automobile Bordnetz der Zukunft - Hersteller und Zulieferer gemeinsam im Boot

Neben den Trend der Elektromobilität und den damit verbundenen neuen Bordnetz-Anforderungen gibt es im „klassischen" 12V-Bordnetz noch zahlreiche Herausforderungen. Diese können nur in Zusammenarbeit von Hersteller, System- und Komponentenlieferanten angegangen werden, so der Tenor von Georg Sterler, Leiter Bordnetze, EMV und Antennen der Audi AG in seinem Einführungsvortrag.

Fünf Themen stehen dabei aus OEM-Sicht im Fokus:

Komplexität: Die Komplexität im Bordnetz steigt ständig aufgrund der Modellvielfalt und der Funktionserweiterungen. Am Beispiel der Produktanläufe von A8, A1 und A7 seit Q4/2009 wurde dies eindrucksvoll demonstriert.
Qualität: Trotz steigender Komplexität im Automobil konnte die Qualität wesentlich verbessert werden und dies bei 8 Mrd. Crimps/Jahr im gesamten VW-Konzern. Robustes Design mit Innovationen beim Crimp-Prozess für Leitungs-Materialien wie Al sind die wesentliche Grundlage. Neue Herausforderung ist die Bearbeitung dünnster Signalleitungen mit 0,13 mm2 Querschnitt u. a. aus CuMg-Legierungen.
Automatisierung: die Karawane der Leitersatzfertigung zieht auf Grund steigender Lohnkosten weiter nach Nordafrika, mit steigenden Transportzeiten und Qualitätsrisiken. Dem entgegenwirken kann nur eine weitergehende Fertigungsautomatisierung, die aber erst in den Anfängen steht.
Gewichtsreduktion: Hier wurden sechs Stellhebel identifiziert: Werkstoff Aluminium, dünnere Leitungen, Verringerung des Querschnitts über Strombelastungs-Betrachtungen, Auslegung der Bordnetz-Topologie, Funktionsverteilung (Zahl der Steuergeräte reduzieren) sowie die Leistungsversorgung durch kurze Masse- und Versorgungsspannungs-Leitungen.
Elektrifizierung: Arbeit an einer OEM-übergreifenden Standardisierung der Hochvolt-Komponenten, Definition der Auslegungskriterien für den Kabelsatz sowie die Gesamtfahrzeug-Integration in punkto Crash-Sicherheit, Bauraumlimitierung und EMV.
Ein Ausblick auf die kommende Hochvolt-Technik machte klar: der technische Aufwand in der Entwicklung für ein Elektrofahrzeug verdoppelt sich derzeit gegenüber dem reinen 12V-Bordnetz. Hier muss jetzt schon über neue Strategien nachgedacht werden, um die Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten.

Gewichtsreduktion und Automatisierung, neue Fertigungsstrategien

Eine Gesamtbetrachtung des Kabelsatzes unter dem Aspekt der Gewichtsreduktion wurde von Alexander Schmid, Projekt Manager bei Leoni Bordnetz-Systeme erläutert: Leoni durchläuft den Prozess der Gewichtsreduktion in zwei Schritten: über eine Software-gestützte Temperatur-Simulation werden Leitungswiderstände unter Stromlast betrachtet und zur Redimensionierung der Leitungsquerschnitte verwendet. So kann ein Großteil der 0,5 mm2-Leitungen, die ca. 75% aller Querschnitte ausmachen, durch 0,35 mm2 ersetzt werden - und das in jedem Kabelsatz! Im zweiten Schritt werden alternative Leitungsmaterialien wie CuMg, CuAg, CuSn oder CU hh für Signalleitungen mit Leitungsquerschnitten von 0,13 mm2 validiert. Erste Fahrzeuge sollen 2011 im Feldtest geprüft werden. Für ein typisches Mittelklassefahrzeug ergeben sich mit diesen Maßnahmen Gewichtseinsparungen bis zu 3,7 kg.
Zusätzliches Potenzial bietet Aluminium als Leitungsmaterial für Querschnitte größer 0,75 mm2. Hier müssen neue Verbindungsprozesse wie Ultraschall- und Induktionslöten in Verbindung mit hexagonalem Crimp validiert werden.

Neben der Gewichtsreduzierung am Kabelsatz muss die Automatisierung der Bordnetz-Fertigung stärker in den Fokus gerückt werden. Vom Design über die Schnittstellenbetrachtung bis zur Komplett-Fertigung von Kabelsatz-Teilmodulen müssen alle involvierten Zulieferer (Steuergeräte-, Stecker- und Komponentenlieferanten, Kabelsatz-Konfektionäre, Umhüllung, Taping, Anlagenbauer und Softwareanbieter) kooperieren, um eine win-win-Situation zu erreichen. Dr. Andreas Böhm, Projektmanager, Bayern Innovativ GmbH, informierte über Ergebnisse des aktuell laufenden Arbeitskreises „automatisierungsgerechtes Bordnetzdesign" mit rund 40 Firmen aus der gesamten Kabelsatz-Wertschöpfungskette, der im Rahmen des Clusters Automotive gemanagt wird. Im Arbeitskreis werden vier Themenfelder erarbeitet, die aus unterschiedlichen Blickwinkeln Kriterien und Hindernisse für eine automatisierte Bordnetzfertigung darstellen. Mit der Erstellung einer Guideline für automatisierungsgerechtes Bordnetzdesign ist ein erster, wichtiger Schritt getan. Dort stehen Themen wie Integration von Splices ins Steuergerät und Standardisierung von Kontaktfamilien ganz oben auf der Rangliste, die zukünftig in die Lastenhefte der OEMs einfließen sollen. Im nächsten Schritt ist eine Bewertung von OEM-Seite her nötig, um eine Weiterarbeit in die richtige Richtung zu gewährleisten.

Zum selben Thema nahm auch Nexans aus Sicht des Kabelsatzkonfektionärs Stellung: Bereits während der Kabelsatzentwicklung werden weit im Vorfeld entscheidende Weichen hinsichtlich automatengerechten Komponenten und Kabelsatzdesign gestellt. Auch der Maschinenhersteller muss in diesen Prozess ab der Konzeptentwicklungsphase involviert werden. Thomas Kost, Leiter Produktentwicklung bei Nexans autoelectric, stellte eindrucksvoll ein umgesetztes Serien-Projekt vor, bei dem diese Faktoren voll zum Tragen kommen: Ein Motor-Kabelsatz wurde in 5 Module zerlegt, von denen vier komplett maschinell gefertigt werden konnten. Nur zwei dieser Module unterliegen zudem dem Variantenmanagement. Die Produktivität der Fertigung konnte dadurch um 30-50% gesteigert werden, und das bei optimierter Lagerhaltung auf Grund der reduzierten Teilevielfalt. In der nächsten Generation soll dieser Kabelsatz komplett maschinell gefertigt werden.

Für den Maschinenlieferanten stellen zusätzlich zum Aspekt der generellen Automatisierung der Kabelsatzfertigung auch die Miniaturisierung der Komponenten und die Reduktion der Kabelquerschnitte neue Herausforderungen auf allen Ebenen dar. Matthias Schulthess, Bereichsleiter Marketing bei Komax, betonte, dass für ein qualitativ sowie wirtschaftlich optimales Endprodukt nicht nur rein mechanische Innovationen gefragt sind, sondern auch integrative Lösung, damit das Zusammenspiel Abisolieren, Crimpen und dem eigentlichen Steckvorgang ins Gehäuse reibungslos funktioniert. Hierfür wurden auch eigene Konstruktionsrichtlinien definiert, die gerne zur Verfügung gestellt werden. Speziell für die 0,13mm2 Steuerleitungen stehen inzwischen Nachrüstkits zur Verfügung, die auch auf bestehenden Anlagen implementiert werden können. Zukünftig stehen Themen wie das Handling von Kabeln größer 3m, die Verarbeitung von verdrillten Leitungen oder auch die Optimierung der Entnahme des Kabelsatzes zunehmend im Vordergrund.

Hochvolt-Bordnetz (Kabelsatz, Komponenten und Steckverbinder, Materialien und EMV)

Zum hochaktuellen Thema der Hybridtechnologie bzw. Elektroantrieb wurden Herausforderungen am Hochvolt-Kabelsatz erläutert: Jörg Himmel von der Dräxlmaier Group präsentierte Kriterien zur Konfektionierung der Leitungssätze. Herausforderung sind die Verwendung größerer Leitungsquerschnitte von > 120mm2 und der Einsatz bei hohen Temperaturen bis 180 OC. Zusammen mit den hohen Strömen von einigen hundert Ampere ergeben sich damit besondere Anforderungen an den Crimpprozess (Ultraschallschweißen oder Widerstandshartlöten), um einen geringen Leitungswiderstand im Crimp zu gewährleisten. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die EMV, die eine 100-prozentige Abschirmung des Hochvoltbereiches notwendig macht. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Anbindung des Schirmgeflechts an den Stecker. Hier ist noch viel Grundlagenentwicklung notwendig, da kaum serienreife Produkte und Standards zur Verfügung stehen. Zur Gewährleistung der Produktsicherheit gelte es auch Prozesse und Messsysteme zu definieren, wie z. B. für die abschließende Prüfung der Hochspannungsfestigkeit oder die Messung des Isolator- bzw. Schirmwiderstandes.

Alexander Haas, MD Elektronik mit Kurt Herrmann, Gebauer & Griller stellten eine werkstoffseitige Betrachtung von Hochstromleitungen vor. In einem gemeinsamen Projekt für drei Hybridvarianten von Audi wurde die Zusammenarbeit vom Lieferanten für Meterware und Konfektionär beschrieben. Im Detail wurde die Verwendung von Aluminium als Leitungsmaterial unter den Aspekten Gewicht, Verbauvolumen und Stromtragfähigkeit, sowie der Kontaktierung über Plasmalötverfahren und Widerstands Stumpf Schiebe Schweißen diskutiert. Als kostengünstige Alternative zu Silikon wurden die Eigenschaften des Isolations- und Mantelwerkstoff Thermoplastisches Polyurethan (TPU) dargestellt. Bis zu Temperaturen von 150 oC kann dieser Werkstoff eingesetzt werden. Hier gilt es die Spezifikationen an die Hochvolt-Kabel neu zu überdenken, wenn dieser Kostenvorteil genutzt werden soll.

Im Bereich Hochvolt wurden die Aspekte der Komponenten in der Verbindungstechnik von Uwe Hauck, Tyco Electronics AMP, dargelegt. Grundlage für die Auslegung sind die abschließenden Testanforderungen von Spannungsfestigkeiten bis 2,7 kV, 6 kA Puls-Strombelastbarkeit und Kriechstromfestigkeit bei Betrieb in Höhen bis zu 5.500 m. Er regte an, die gleichzeitige Einhaltung dieser Spezifikationen grundsätzlich zu überdenken. Ein weiterer Design-Aspekt ist die Berührungssicherheit der Kontakte aber auch die Vermeidung des Ziehens eines Steckers unter Last um die Ausbildung von Bogenentladungen zu verhindern. Hierfür wurde in den Stecker ein Interlock integriert, das vor Auslösen einer zweiten Entriegelung den Stecker spannungsfrei schaltet. Uwe Hauck zeigte zudem eine erweitere Klassifikation zukünftiger Steckerfamilien hinsichtlich Strombelastbarkeit und Leitungsquerschnitt. Um die gleichen Komponentenfamilien für verschiedene Materialien wie Kupfer und Aluminium verwenden zu können, wäre hier eine neue Klasseneinteilung, je nach Leitermaterial, vorteilhaft.

Den Abschluss des Kooperationsforums bot Ole Mende, Leiter Entwicklung EMV der Audi AG. Im Fokus des Vortrages, der zusammen mit Prof. Matthias Richter von der HS Zwickau konzipiert wurde, stand die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), für die im Hochvolt-Bordnetz eine besondere E/E-Architektur die Grundlage ist. Hierfür müssen alle E/E-Komponenten vom Bordnetz über Steuergeräte bis hin zum einzelnen Halbleiter-Baustein berücksichtigt und optimiert werden. Konzepte, wie man diesen potenziellen elektromagnetischen Störquellen begegnen kann, wurden aufgezeigt: z. B: bei Masseanbindungen kurze Leitungen bevorzugen, gleiche Leitungslängen vermeiden, damit sich Störsignale am Steuergerät nicht addieren oder die Lage der Busabschlüsse und CAN-Knoten relativ zu Stromleitungen. Über 3D-Darstellungen wird die Bordnetz-Topologie virtuell optimiert und die Kabelverlegung und die Platzierung der Crimps im Fahrzeug vorgenommen. Zusätzlich werden dann Prototypen im Prüfzentrum und Feldtest genau evaluiert, um z. B. eine mögliche Überkopplung des Hochvoltnetzes in das nahezu ungeschirmte 12V-Bordnetz zu vermeiden. Schon eine im Steckerbereich unzureichend verdrillte Signalleitung kann als Antenne wirken.

Alle Beiträge machten deutlich, dass dem Bordnetz der Zukunft tiefgreifende Veränderungen bevorstehen. Die Trends sind klar gesetzt und die Ressourcen sowohl an Manpower als auch im Entwicklungsbudget sind bei OEM und Zulieferern klar priorisiert. Dass auch der Informationsaustausch besonders wichtig ist, zeigt sich in der enormen Teilnehmer-Zahl beim Kooperationsforum in diesem Jahr, die bereits heute ein spannendes „Bordnetze 2011", voraussichtlich bei BMW in München, erwarten lassen.