White Paper: BCON+ Hochvolt-Verbindungssystem

Die Forderung nach der Dekarbonisierung des Verkehrssektors beschleunigt die Einführung von elektrifizierten Antriebssystemen. Im Elektrofahrzeug stellt die Traktionsbatterie die primäre Quelle für die Antriebsenergie dar, im Wasserstofffahrzeug hat sie immerhin eine wichtige Pufferfunktion für Hochlastphasen. Damit ist die Batterie das Herzstück der Elektrifizierung des Antriebsstranges. Solche Batterien bestehen aus vielen einzelnen Zellen, die jeweils zu Modulen zusammengefasst werden. Über die Kontaktierung dieser Module muss sämtliche elektrische Energie während der Betriebsarten Laden, Fahren und Rekuperieren sicher in die Batterie fließen beziehungsweise aus ihr entnommen werden können. Daher müssen Modulkontak-
tierungen unter sehr beengten Bauraumverhältnissen in der Lage sein, während eines Hochleistungsladezyklus minutenlang Dauerströme von bis zu 600 A zu führen, während sie in dynamischen Antriebsmodi deutlich höhere Ströme für Sekunden tragen können.

Außerdem stellt die Batteriemodulkontaktierung die physikalische Schicht für den Batterieschutz (Übertemperaturschutz), das Batterie-Management (Ladezustände, z.B. State of Charge, SoC) und das Cell-Balancing (Ladungsausgleich zwischen Zellen mit unterschiedlichem SoC Niveau) bereit. Dazu ist eine dauerfeste Kontaktierung jedes einzelnen Moduls der Traktionsbatterie erforderlich. Diese Kontaktierung muss als hoch integriertes System nicht nur für die Lebensdauer des Fahrzeugs (typischerweise 300.000 km und zehn Jahre) ausgelegt sein, sondern auch so robust, dass vor allem Vibrationen und Temperatureinflüsse die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Kontaktierung über die Lebensdauer nicht unzulässig beeinflussen. Im Hinblick auf die Einhaltung normativer Vorgaben und der Verantwortung der OEM gegenüber ihren Kunden und den Werkstätten muss diese Kontaktierung zudem berührsicher sein, damit in einem Hochvoltsystem wie dem elektrifizierten (Nutz-)Fahrzeug keine Gefährdung durch hohe Spannungen und Ströme entsteht.

Die Berührsicherheit im kontaktierten und nicht gesteckten Zustand ermöglicht den sicheren Umgang mit den Batteriemodulen während der Montage der Batterie. Speziell im Falle einer während der Fahrzeuglebensdauer notwendigen Inspektion oder im Servicefall können Batteriemodulverbinder ohne die Bereitstellung von teuren Spezialwerkzeugen oder komplizierten Sicherheitsabläufen von geschulten Elektrofachkräften einfach und sicher gehandhabt werden.

TE Connectivity hat sein umfangreiches Wissen über automobilspezifische Kontaktphysik in der Kontaktierung von Kupfer- und Aluminiumleitern genutzt, um eine neue Anschlusslösung für Traktionsbatterien zu entwickeln. Dieses Schraubkontaktierungssystem mit dem Markennamen BCON+ erfüllt alle Anforderungen der anspruchsvollen Anwendung. Neu ist im Vergleich zu anderen existierenden Lösungen, dass die BCON+ Hochvolt-Kontaktierung eine Schraubverbindung ist, die einfach trennbar (Diagnose, Recycling) und zugleich berührsicher gemäß IPxxB nach ISO 20653 ist. Der mechanische Pfad (die Zugspannung der Stahl-Stahl Verschraubung) der Schraubkontaktierung und der elektrische Pfad (niederohmige Kupfer-Kupfer Verbindung) sind bewusst funktional voneinander getrennt, um eine sehr robuste und in der typischen Fertigungsumgebung gut handhabbare Kontaktierung zu schaffen.

Das Schraubkontaktierungssystem BCON+ ist zur Modulkontaktierung und für andere Übergabepunkte in diversen Anschlussfeldern einer elektrischen Leistungsarchitektur vielseitig und flexibel einsetzbar. Bild 1.

Für die Kontaktierung von Batteriemodulen in einem elektrifizierten Fahrzeug gelten hohe Anforderungen. So war es das Ziel, sämtliche Leiter und Verbindungsstellen für dauerhafte Ströme von 400 A auszulegen (kurzzeitig bis zu 1200 A), Spannungen von bis zu 1000 V und eine korrekte Funktion bei Umgebungstemperaturen zwischen -40 °C und bis zu +80 °C sicherzustellen. Die gewählten Werkstoffe der Verbindung können bei bis zu 140 °C betrieben werden. Die größte Herausforderung liegt darin, einen sehr geringen Durchgangswiderstand an den einzelnen Kontaktstellen einzustellen, um eine zulässige Verlustleistung in unmittelbarer Nähe zu handelsüblichen Batteriezellen zu erreichen. So ist die BCON+ Kontaktierung für einen Durchgangswiderstand über das Verbindungssystem von <10 μΩ an jeder Verbindungsstelle ausgelegt. Um die Vibrationsbeständigkeit zu sichern, ist der Modulverbinder für Schärfegrad 3 (LV214, SG 3) ausgelegt. Es erfüllt die Umweltanforderungen für ungedichtete Systeme gemäß der bekannten herstellerbezogenen Prüfvorschrift LV215.

Ein solches Kontaktierungssystem muss sich sicher und einfach montieren lassen. Je nach Fahrzeug und Batteriekonfiguration muss es außerdem flexibel anpassbar sein. Dazu gehören die Kontaktierung unter unterschiedlichen geometrischen Randbedingungen sowie die Kontaktierung unterschiedlicher Leiterarten. Als Lebensdauerkomponente muss die Modulkontaktierung zudem die automobilspezifischen Vorgaben von 300.000 km Laufleistung bzw. 10 Jahren Nutzungsdauer und bis zu 25 Steck- und Schraubzyklen erfüllen. Da bei einem elektrifizierten Fahrzeug noch die Ladezeiten als Betriebszeit hinzukommen, sind die Anforderungen an die Robustheit zusätzlich bedingt durch die permanente Beaufschlagung mit der Ladeleistung gerade bei Batteriekomponenten überproportional hoch.

Ein BCON+ Kontakt zur Verbindung von Batteriemodu-len besteht auf der Schnittstellenseite zur Batterie aus Aluminium- und Kupferprofilen sowie aus flexiblen Lei-terformen auf der Verbindungsseite, die über eine Stahl-Stahl-Schraubverbindung angeschlossen werden. Die eigentliche Zellkontaktierung erfolgt häufig über flache Al-Schienen, die im gezeigten Schema innerhalb der einzelnen Module die jeweils im Modul zusammengefassten Zellen kontaktieren (Bild 1).

Der Anschluss jedes Moduls an das Hochvoltnetz erfolgt über Schraubverbindungen mit massiven Kupfer-Flach-kontakten (Cu-Busbars), in welche die Unterseite des gal-vanisch beschichteten Kupfer-Rundkontaktes mit einem stählernen Gewindeeinsatz aus einem vergüteten Werk-stoff integriert ist. Das Gegenstück („Stecksockel“) des Kupfer-Rundkontaktes mit der gesteckten Schraube ist in ein ebenfalls massives Endstück einer Kupfer-Litzenlei-tung („Hochvoltkabel“) oder eines runden Massivleiters integriert (Bild 2). 

Bei der BCON+ Kontaktierung wird der Kontakt des Hochvoltkabels auf die Aufnahme des Kupfer-Flachkontaktes (Interface) aufgesteckt (Bild 3). Bei passender Codierung (= korrekt zugeordnete Verbindung) wird dabei eine Vorverrastung hergestellt, die das Kabel auf der Schiene festhält, so dass die anschließende Schraubmontage beidhändig und komfortabel erfolgen kann (auch über Kopf).

Beide Kontakthälften sind von Gehäuseober- und unterschalen aus mit Glasfaser gefülltem Kunststoff umschlossen, die eine versehentliche Berührung spannungsführender Teile mit dem Finger verhindern (IPxxB = kein Kontakt bei Gegenständen >12 mm Durchmesser mit maximal 80 mm Länge). Der Flammschutz der Kunststoffteile entspricht standardmäßig HB, die Anforderung V0 ist ebenfalls möglich. Die Gehäuseform nutzt den verfügbaren Bauraum optimal aus (Bild 4) und gewährleistet unter beengten Bedingungen die erforderliche Sicherheit. Alle stromführenden Systembestandteile sind von einem Gehäuse umgeben und entweder mit einem Silikonmantel oder einem hochtemperaturfesten Glasfasergewebeman-tel umhüllt. 

Die Verbindungen zwischen den Al-Schienen und den massiven Kupfer-Flachkontakten beziehungsweise die Verbindung zwischen Litzenleiter auf der Kabelseite und Kupfer-Flachkontakt werden mit einem stoffschlüssigen Verfahren erzeugt. 

Die verliersichere M5-Schraube, mit der die ringförmigen Kupfer-Kontakte aufeinandergepresst werden, ist eine spezielle Entwicklung aus einem vergüteten Werkstoff. Der Kopf der Schraube ist mit Kunststoff umspritzt. Die Aufnahme des Anzugsmomentes erfolgt über das genormte Außensechsrundprofil. Die stählerne Schraube durchtaucht die beiden ringförmigen Kontakte mit flacher Stirnfläche und greift in der Gewindehülse im unteren Teil des BCON+ Schraub-kontaktes ein (Bild 5).

Durch diesen Aufbau erfolgt die mechanische Zugspannung rein in einem Stahl-Stahl-System und ist vollständig von der Funktion der elektrischen Verbindung auf dem von der mechanischen Vorspannung etablierten Kupfer-Kupfer-Strompfad getrennt (Bild 6).

Die massiven Kupfer-Flachkontakte gibt es in einer Vielzahl von Profilen als gerade und gewinkelte Ausführungen mit und ohne Kröpfung (= unterschiedlich hohem Versatz). Dadurch lassen sich unterschiedliche Kontaktierungssituationen lösen. Die Kontaktierung auf der Unter-seite der Verbindung kann unterschiedlich kodiert bzw. in 90°-Schritten gedreht werden, um ein versehentliches Stecken und damit das Falschpolen von ähnlich aussehenden Verbindungs-kabeln auf dem Kupfer-Flachkontakt zu verhindern.

Eine steckbare Kontaktierung hat im Zuge der Entwicklung keine ausreichend geringen Durchgangswiderstände gezeigt. Bei 400 A und der Vorgabe von <10 μΩ war eine Schraubverbindung erforderlich, um auch unter Vibrationseinfluss dauerhaft die nötige Qualität der elektrischen Verbindung zu erzielen. Dieses Ziel wird mit einer Schraubverbindung realisiert, die bei einem spezifizierten Anzugsmoment auf einer M5-Schraube die erforderliche hohe Kontaktnormalkraft erzeugt. Oberteil und Unterteil der elektrischen Verbindungsstelle bestehen aus galvanisch beschichtetem Kupfer (Cu) in einem Ringprofil mit flacher Stirnfläche. Durch diese Geometrie entsteht eine große flächige Übergangszone für den Strom.

Das Anzugsmoment der Schraube ist so definiert, dass bei niedrigen Temperaturen (bis zu -40° C) genügend Anzugsmoment verbleibt, um den erforderlichen geringen Durchgangswiderstand beizubehalten, andererseits aber auch bei hohen Temperaturen (bis zu + 140° C) und der damit einhergehenden unterschiedlichen Materialausdehnung von Kupfer und Stahl die Kontaktierung im Bereich der elastischen Verformung bleibt. Umweltprüfungen gemäß LV215 haben bestätigt, dass am Ende der Lebensdauer einer BCON+ Schraubverbindung das spezifizierte Wiederanzugsmoment erreicht wird, was eine sichere Funktion gewährleistet.

Die bauraumoptimierte Stoßverbindung zwischen den massiven Kupfer-Flachkontakten und den jeweils gewählten elektrischen Leitern kann beispielsweise durch Widerstands-Stumpfschweißen mit Hartlot erzeugt werden. Der Schweißstrom erzeugt dabei im Bereich des Lotes aufgrund des höheren elektrischen Widerstands ein lokales Aufschmelzen der Verbindungselemente und beim Abkühlen eine anschließende stoffschlüssige niederohmige Stoßverbindung der Kontaktpartner. Bei Litzenkabeln wird das Kabelende vor dem Schweißen in einem gängigen Prozess kompaktiert.

Grundsätzlich ist auch der Anschluss durch eine überlappende Verbindung mittels gängiger Schweißverfahren möglich. Um den knappen verfügbaren Bauraum auszunutzen, fiel die erste Wahl jedoch auf eine Stoßverbindung. Bild 7 zeigt einige Optionen der möglichen Leiter-verbindungen. Der BCON+ Schraubverbinder ist für Leiter mit Querschnitten von 16 mm² bis zu 100 mm² ausgelegt. 

Es lassen sich runde Massivleiter, Litzenleiter (rund und flach) sowie (gerade und gekröpfte) Cu-Flachkontakte kontaktieren. Befestigungsclips und Schutzhüllen gegen mechanischen Abrieb vervollständigen das Portfolio.

Wegen der extrem kompakten Abmessungen sind alle Bestandteile des Systems hochgradig aufeinander abgestimmt. Das gilt auch für die beiden ringförmigen Kontakte, die die elektrische Verbindung herstellen. Die ringförmigen Kontakte sind im Idealfall Bestandteil des Cu-Flachkontaktes, können jedoch auch als getrenntes Teil mit dem Cu-Flachkontakt verschweißt oder nur auf den Cu-Flachkontakt aufgelegt werden. Die Wahl der Ausführungstechnik wird durch die Forderung an den Durchgangswiderstand bestimmt. Genau wie die Cu-Flachkontakte sind die Kontaktringe aus massivem Cu. Der Kontaktbereich wird mit einer galvanischen Beschichtung aus Silber (Ag) über Nickel (Ni) überzogen. Dabei dient das Ni als Diffusionsbarriere, das Ag senkt einerseits den Durchgangswiderstand und erlaubt andererseits eine Lagerfähigkeit der Komponenten von bis zu einem Jahr nach der Fertigung (Anlaufschutz). Die Cu-Flachkontakte werden im Zuge der Fertigung definiert verfestigt. Mit den gekröpften Versionen der Cu-Flachkontakte lassen sich Hindernisse überspringen bzw. ein Versatz kann ausgeglichen werden.

Der aktuell erreichte Durchgangswiderstand von <10 μΩ ist ein ausgezeichneter Wert, der sich aus einem größeren Anteil für die physikalisch unvermeidbaren Verluste durch den elektrischen Widerstand des Werkstoffes (rund 7 μΩ) sowie dem kleineren Anteil des Durchgangswider-standes zwischen den beiden ringförmigen Kontakten (etwa 3 μΩ) zusammensetzt. Für thermisch besonders anspruchsvolle Höchst-Performance Applikationen, ist dieser Modulverbinder besonders geeignet und kann kundenspezifisch angepasst werden. Weitere Forderungen, wie z.B. Spritzwasserschutz, können ebenfalls durch entsprechende konstruktive Maßnahmen umgesetzt werden. Auch eine Skalierung der BCON+ Schraubkontaktierung für höhere oder niedrigere Ströme ist möglich.

Innerhalb seiner engen Bauraumgrenzen ist das von TE Connectivity entwickelte
BCON+ Schraubkontaktierungssystem ein hoch optimiertes, hoch funktionales, niederohmiges Schraubkontaktierungssystem, das eine zuverlässige Stahl-Stahl-Schraubverbindung etabliert und vollständig berührsicher ist. Die mechanische Zugspannung und die elektrische Schnittstelle sind dabei funktional voneinander getrennt. Der geringe Durchgangswiderstand in Verbindung mit der hohen Robustheit und Sicherheit macht die BCON+ Schraubverbindung zu einer zuverlässigen und sicheren Hochvolt-Kontaktierung sowohl für Batteriemodule als auch für andere Verbindungsstellen außerhalb der Batterie. 

Durch die flexiblen Anschlussmöglichkeiten (Formen der Cu-Flachkontakte, Leiter-Optionen) lassen sich innerhalb nur eines Portfolios unterschiedliche Konfigurationen und geometrische Anforderungen der Kontaktierung erfüllen (Versatzausgleiche, Sprünge). Die Möglichkeiten der Kodierung sowie der in 90°-Schritten möglichen Drehung unterstützen eine sichere Montage. Auch das Vorverrasten der Schraubverbindung beim Stecken vereinfacht die Handhabung in der Produktion. Der Berührschutz gemäß IPxxB schützt Menschen während aller relevanten Lebensphasen des Fahrzeugs (Produktion, Wartung/Reparatur auch außerhalb ausgewählter Werkstätten, Recycling) vor dem Kontakt mit spannungsführenden Teilen.