Vorteile und Anwendungen von Aluminiumdraht in Automobilsystemen

Kfz-Kabelbäume werden oft als „Blutgefäße und Nervensystem“ eines Fahrzeugs bezeichnet und decken Funktionen wie Kraftübertragung, Signalsteuerung und Systemkommunikation ab. Sie sind unverzichtbare und hochwertige Schlüsselkomponenten in einem Fahrzeug. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Fahrzeugelektrifizierung und -intelligenz nehmen Menge, Länge und Komplexität der Kabelbaumsysteme in Fahrzeugen ständig zu, und ihr Gewichtsanteil hat fast 5 % des Gesamtgewichts des Fahrzeugs erreicht, was einen weiteren Aufwärtstrend zeigt. Vor dem Hintergrund der CO2-Neutralität und des Leichtbaus sind Gewichtsreduzierung und Kostenreduzierung von Kabelbaumsystemen zu einer wichtigen Richtung in der Fahrzeugentwicklung geworden, die eine praktische Grundlage für den Einsatz von Aluminiumdrähten im Automobilbereich bietet.

 

 

Traditionell werden in Kfz-Kabelbäumen lange Zeit Kupferdrähte als Standardleitermaterial verwendet. Kupfer verfügt über eine gute elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Eigenschaften und seine Verarbeitungstechnologie ist ausgereift. Allerdings schwankten die Kupferpreise in den letzten Jahren kontinuierlich und verharrten auf einem hohen Niveau, was den Kostendruck bei Bordnetzsystemen deutlich erhöhte. Gleichzeitig wirken sich die hohe Abhängigkeit von importierten Kupferressourcen und der erhebliche Einfluss internationaler Marktpreise nachteilig auf eine langfristig stabile Kostenkontrolle aus.

 

Im Vergleich dazu bietet Aluminium als Metall mit einer nach Kupfer übertroffenen Leitfähigkeit Vorteile wie eine geringe Dichte, reichlich vorhandene Ressourcen und relativ stabile Preise. Durch die richtige Gestaltung des Drahtdurchmessers können Aluminiumdrähte eine erhebliche Gewichtsreduzierung erreichen und gleichzeitig die gesamten elektrischen Leistungsanforderungen des Fahrzeugs erfüllen. Selbst nach effektiver Vergrößerung der Querschnittsfläche kann mit Aluminiumdrähten immer noch eine Gesamtgewichtsreduzierung von ca. 30 % erreicht werden, was zu einer umfassenden Kostenreduzierung der Materialkosten von ca. 30–35 % führt. Diese Eigenschaft macht Aluminiumdrähte zu einer zunehmenden Alternative zu Kupferdrähten in Niederspannungskabelbäumen und einigen Hochleistungsschaltkreisen und passt perfekt zum Ziel der Fahrzeugleichtbauweise.

 

 

Die Auswahl von Aluminiumdrähten ist nicht nur ein materieller Ersatz für Kupferdrähte; es muss auf dem Prinzip der gleichwertigen elektrischen Leistung basieren. Während der Entwurfsphase müssen wichtige Parameter wie Leitfähigkeit, Strombelastbarkeit, Temperaturanstiegseigenschaften und Derating-Kurven sorgfältig berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die Schutzstrategie und die Sicherheitsgrenzen der Fahrzeugschaltkreise nach dem Austausch des Leitermaterials unverändert bleiben.

 

Im aktuellen Industriestandardsystem basieren Kupferdrähte hauptsächlich auf ISO 6722-1, während Aluminiumdrähte ISO 6722-2 folgen. In praktischen Anwendungen kompensieren Aluminiumdrähte ihren höheren spezifischen Widerstand typischerweise durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche und stellen in Kombination mit einer Überprüfung auf Systemebene ihre Langzeitstabilität unter verschiedenen Betriebsbedingungen sicher. Diese Auswahllogik legte auch den technischen Grundstein für die spätere Einführung von Aluminium-Stromschienen in Energieverteilungssystemen.

 

 

Bei der Einführung von Aluminiumdrähten in Fahrzeugkabelbaumsystemen muss zunächst das Problem der Materialkompatibilität zwischen verschiedenen Metallen angegangen werden. Der Unterschied in der elektrochemischen Aktivität zwischen Aluminium und Kupfer kann bei Stromzufuhr und Vorhandensein von Feuchtigkeit oder Verunreinigungen zu einer elektrochemischen Korrosionsumgebung führen, was zu erhöhtem Kontaktwiderstand, Überhitzung an den Verbindungspunkten und Zuverlässigkeitsrisiken führt.

 

Zweitens weisen Aluminium und Kupfer erhebliche Unterschiede in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Unter thermischen Zyklen und langfristigen Vibrationsbedingungen des Fahrzeugs können sich nach und nach Mikrospalten im Verbindungsbereich bilden, die die elektrische Leistung beeinträchtigen und die mechanische Festigkeit schwächen.

 

Darüber hinaus bildet sich leicht ein dichter Oxidfilm auf der Aluminiumoberfläche. Während diese Oxidschicht das Substrat schützt, ist ihre Leitfähigkeit schlecht. Eine unsachgemäße Handhabung wirkt sich direkt auf die Zuverlässigkeit des Kontakts zwischen der Klemme und dem Kabel aus.

 

 

Um die oben genannten Probleme anzugehen, hat die Branche nach und nach einen Lösungsweg entwickelt, der auf der Synergie von Struktur und Prozess basiert. Unter ihnen sind Kupfer--Aluminium-Verbundklemmen, die durch Reibschweißen hergestellt werden, zu einer der gängigen Lösungen geworden. Diese Struktur bildet eine stabile Kupfer-{3}}Aluminium-Übergangsschicht im Inneren des Anschlusses, wodurch der elektrochemische Reaktionspfad effektiv isoliert und das Risiko des Metallkriechens erheblich verringert wird.

 

Am Drahtende wird der Aluminiumdraht meist durch hydraulisches Crimpen mit dem Aluminiumende der Klemme verbunden. Unter hohem Druck wird der oberflächliche Oxidfilm zerstört, wodurch eine zuverlässige Kaltschweißstruktur zwischen Metallen entsteht und so gleichzeitig die Anforderungen an elektrische Leistung und mechanische Haltekraft erfüllt werden. Diese Art der Verbindungsmethode ist im Bereich der Niederspannungskabelbäume weit verbreitet und wird nach und nach auf einige Hochspannungsschaltkreise ausgeweitet, was in hohem Maße mit dem technischen Konzept der flexiblen Aluminiumverbindungen übereinstimmt.

 

 

Bei der Anwendung von Aluminiumdrähten mit großem Querschnitt werden derzeit hauptsächlich die beiden wichtigsten technischen Methoden verwendet: vierseitiges Crimpen und Ultraschallschweißen. Durch das Vier-{3}}-Crimpen wird eine Materialkonsistenz durch ein Aluminium-zu--Strukturdesign erreicht, das einen geringen Kontaktwiderstand und eine langfristige-Stabilität ausbalanciert. Beim Ultraschallschweißen hingegen werden hochfrequente Vibrationen eingesetzt, um die Oxidschicht aufzubrechen und so eine dichte Legierungsübergangszone zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kupferanschluss zu schaffen, die für Szenarien mit höheren Platz- und Zuverlässigkeitsanforderungen geeignet ist.

 

Da der Platz im Fahrzeug immer begrenzter wird, birgt die einfache Vergrößerung des Kabeldurchmessers auch das Risiko von Störungen bei der Verkabelung. Aus diesem Grund hat die Branche damit begonnen, hybride Anwendungslösungen aus Kupfer-Aluminium zu erforschen, indem sie Kupferleiter in Bereichen mit eingeschränktem Platzangebot-einsetzt und Aluminiumleiter in Bereichen mit begrenztem Platzangebot{3}}einführt, um auf Systemebene ein Gleichgewicht zwischen Leistung und geringem Gewicht zu erreichen.

 

 

Zusätzlich zu den traditionellen Runddrahtstrukturen treten nach und nach weiche Aluminium-Flachkabel und Flachleiterkonstruktionen in die technische Verifizierungsphase ein. Massive Aluminium-Flachdrahtstrukturen können die Höhenbeanspruchung erheblich reduzieren und gleichzeitig die Strombelastbarkeit beibehalten, sich besser an die Fahrzeugkarosseriestruktur anpassen und mehr Freiheit bei der Kabelbaumanordnung bieten. Diese Art der Struktur teilt die Designlogik von Aluminium-Flachstromschienen und bietet darüber hinaus eine neue Richtung für die Modularisierung und Integration zukünftiger Kabelbaumsysteme.

 

Im Bereich neuer Energiefahrzeuge reagieren Hochspannungssysteme empfindlicher auf das Gewicht und die Effizienz des Leiters. Wenn Hochspannungskabelbäume langfristig auf Kupferleiter angewiesen sind, wird dies die Gesamtqualität und die Kosten des Fahrzeugs erheblich beeinträchtigen. Daher rückt die Erforschung von Hochspannungsanwendungen unter Verwendung von Aluminiumlegierungen mit hoher Leitfähigkeit wie den Aluminium-Sammelschienen 6101 und 6061 zunehmend in den Mittelpunkt der Branche.

 

 

Mit der zunehmenden Verbreitung neuer Energiefahrzeuge werden die Trends hin zu Hochspannung und Elektrifizierung immer deutlicher. Gewichtsreduzierung und Kostenreduzierung bei Kabelbaumsystemen wirken sich direkt auf die Energieeffizienz und Reichweitenleistung des gesamten Fahrzeugs aus. Die ausgereifte Anwendung von Aluminiumleitern in Niederspannungskabelbäumen hat den technischen Grundstein für die Ausweitung auf Hochspannungssysteme gelegt. In Zukunft werden Aluminiumleiter und Aluminium-Sammelschienenstrukturen durch Materialoptimierung, Upgrades von Verbindungsprozessen und Designzusammenarbeit auf Systemebene eine zentralere Rolle in der elektrischen Architektur des Fahrzeugs spielen.

 

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aluminiumleiter in der Automobilindustrie nach und nach von der Proof-of-Konzeptphase zur groß-Anwendung übergegangen sind. Ihre Vorteile in Bezug auf Gewichtsreduzierung, Kostenreduzierung und Ressourcenschonung sind in hohem Maße mit der Entwicklungsrichtung neuer Energiefahrzeuge vereinbar. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Verbindungstechnologien und Strukturdesigns werden Aluminiumleiter und verwandte Leiterlösungen eine immer wichtigere Rolle im elektrischen System des Fahrzeugs spielen.

 

 

Basierend auf den Entwicklungsanforderungen der Automobilelektrifizierung und leistungsstarken elektrischen Systemen konzentrieren wir uns auf die Entwicklung und Herstellung äußerst zuverlässiger Leiter und VerbindungslösungenAluminium-Sammelschienen, kundenspezifische Aluminium-Sammelschienen und verschiedene flexible Aluminiumverbindungen. Je nach Stromstärke und Einbauraum bieten wir maßgeschneiderte Unterstützung und helfen Fahrzeugkabelbäumen und Stromverteilungssystemen dabei, eine bessere Balance zwischen Leichtbau und Sicherheit zu erreichen.