Langzeitstabile, innovative Kontaktierungslösungen in elektrischen Systemen von Elektro- und Hybridfahrzeugen K-O-N-T-A-K-T

Projektlaufzeit:

04/2019 - 12/2021

Projektleitung (Fakultät):

Herr Prof. Dr. Sebastian Weis (Automobil- und Maschinenbau)

Kontakt:

Herr Prof. Dr. Sebastian Weis

+49 (375) 536 1689
Sebastian.Weisfh-zwickaude

Kooperationspartner:

DODUCO Solutions GmbH; iew Induktive Erwärmungsanlagen GmbH; Göritzhainer Maschinenfabrik

Fördermittelgeber:

SMWK

Situation

Elektromobilität ist weltweit der Schlüssel zur klimafreundlichen Umgestaltung der Mobilität. Der Betrieb von Elektrofahrzeugen erzeugt insbesondere in Verbindung mit regenerativ erzeugtem Strom deutlich weniger CO2. Für die Bundesregierung hat die Elektromobilität eine hohe Bedeutung. Deutschland soll sich nicht nur zum Leitmarkt Elektromobilität entwickeln, sondern durch Innovationen im Bereich der Fahrzeuge, Antriebe und Komponenten sowie der Einbindung dieser Fahrzeuge in die Strom- und
Verkehrsnetze auch zum Leitanbieter für Elektromobilität etablieren. Ziel der Bundesregierung sind 1 Million Elektrofahrzeuge in Deutschland bis zum Jahr 2020. Im Jahr 2016 waren bereits über 40 elektrische Fahrzeugmodelle am Markt. Aktuell  schreitet die Entwicklung stetig voran.

Aufgabe

Von besonderer Bedeutung bei der Konstruktion der neuen Fahrzeuge aber auch der Speichersysteme sind die benötigten elektrischen Leiter. Kupfer ist aufgrund seiner sehr guten elektrischen Leitfähigkeit der am häufigsten verwendete Werkstoff im Bereich der elektrischen Leiter und Kontaktierungen. Kostendruck und Leichtbau, vor allem im Automobilbereich, führen zu einer zunehmenden Substitution von Kupfer durch das wesentlich leichtere und zudem auch kostengünstigere Aluminium. Dies wird besonders beim Vergleich beider Werkstoffe bei identischem Leitwert deutlich. Zwar ist der benötigte Querschnitt des Aluminiums größer, um die identische Leitfähigkeit des Kupfers zu erreichen, jedoch wiegt das notwenige Aluminium dennoch nur die Hälfte. Außerdem bleibt Aluminium trotz des größeren Querschnitts sehr preisgünstig im Gegensatz zu Kupfer. 

Aus technologischen Gründen ist es jedoch oftmals nicht möglich Kupfer komplett zu ersetzen, so dass es häufig an der Schnittstelle zwischen elektrischem Leiter und Hauptbaugruppe zu einer Verbindung aus Al und Cu kommt. Problematisch sind die dabei vor allem bei klassischen thermischen Fügeverbindungen auftretenden, unerwünschten intermetallischen Verbindungen. Die Folge sind herabgesetzte mechanischen Verbindungseigenschaften. Viel kritischer noch sind die im Vergleich zu den Grundwerkstoffen deutlich höheren spezifischen Widerstände. Bereits heute werden in neu entwickelten Fahrzeugen Aluminiumkabel genutzt. Da Aluminium vergleichsweise weich ist und bei mechanischer Beanspruchung kriecht, können sich nach einer gewissen Dauer Schrauben oder Pressverbindungen lösen. Die Folge ist ein Anstieg des Übergangswiderstands, was durch die Deckschichtbildung des Aluminiums noch weiter verschlechtert wird.

Ergebnis

Lösungsansatz 
Einen vielversprechenden, innovativen Lösungsansatz stellt das wärmearme Fügen mittels Rührreibpunktschweißen (FSSW - Friction Stir Spot Welding) sowie Reibpunktschweißen dar, welches im Rahmen des Forschungsvorhabens durch ein interdisziplinäres Team aus Fachexperten für Füge-, Fertigungstechnik, Elektrotechnik und Betriebsfestigkeit untersucht werden soll.