Anwendung von Aluminiumdraht in Hochspannungskabelbäumen für neue Energien

Mit der rasanten Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EVs), Hybridfahrzeugen (HEVs/PHEVs) und Energiespeichersystemen entwickelt sich die elektrische Architektur von Fahrzeugen hin zu höheren Spannungen, höheren Strömen und höherer Leistungsdichte. Um die Leistung zu verbessern und gleichzeitig Fahrzeuggewicht und -kosten zu reduzieren, reichen herkömmliche Kupferkabelbäume zunehmend nicht mehr aus, um die Optimierungsanforderungen neuer Energiesysteme zu erfüllen.

Vor diesem Hintergrund haben sich „Hochspannungskabelbäume aus Aluminiumdraht“ zu einem wichtigen Investitionsfeld für große OEMs, Batteriehersteller und Hochspannungsverteilungsunternehmen entwickelt.

Dieser Artikel erläutert systematisch den Wert von Aluminiumdraht im Bereich der Hochspannungskabelbäume für neue Energien und behandelt dabei Materialeigenschaften, elektrische Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeitstechnik, Anwendungsszenarien, häufige Missverständnisse und zukünftige Trends.

I. Warum werden in neuen Energiefahrzeugen zunehmend Aluminiumdrähte verwendet?

1. Deutliche Vorteile bei der Gewichtsreduktion

Aluminium hat eine Dichte von etwa 30 % der Dichte von Kupfer, wodurch sich das Gewicht von Kabelbäumen bei gleicher Strombelastbarkeit um 35–50 % reduzieren lässt.

Bei Elektrofahrzeugen mit Hunderten von Hochspannungskomponenten, darunter Ladesysteme, Hochspannungsverteilerkästen, PTC-Heizelemente und 3-in-1-Elektroantriebe, kann eine Gewichtsreduzierung die Reichweite deutlich verbessern.

2. Wettbewerbsfähigere Materialkosten

Der Rohstoffpreis für Aluminium beträgt etwa ein Drittel bis die Hälfte des Preises für Kupfer. Angesichts der vielen Meter Hochspannungskabel in einem Fahrzeug lassen sich dadurch 20–40 % der Kosten für Hochspannungskabelbäume einsparen.

3. Etwas höherer Widerstand, der jedoch durch strukturelle Modifikation kompensiert werden kann

Obwohl Aluminiumdraht einen höheren Widerstand als Kupferdraht aufweist, können die Stromtragfähigkeitsanforderungen von 400V/800V-Plattformen durch Methoden wie die Vergrößerung der Querschnittsfläche, die Verwendung mehrdrähtiger Litzenstrukturen und die Oberflächenplattierung vollständig erfüllt werden.

4. Besser geeignet für hohe Ströme und Übertragung über große Entfernungen

Aluminium zeigt eine stabile Leistung bei hoher Stromdichte und Langstreckenübertragung und eignet sich daher für Hochspannungsleitungen über große Entfernungen zwischen dem Hauptbus und dem Batteriepack in Elektrofahrzeugen.

II. Wichtige technische Aspekte von Aluminiumdraht in Hochspannungskabelbäumen

1. Leiterstruktur: Bei Aluminiumdraht geht es nicht einfach nur um den „Materialwechsel“.

Die in Elektrofahrzeugen verwendeten Aluminiumdrähte lassen sich im Allgemeinen in folgende drei Kategorien einteilen:

• Leiter aus Aluminiumlegierung der Serie AA-8000 für die Automobilindustrie
• Litzenleiter aus Aluminium
• Kupferplattiertes Aluminium (CCA) wird zur signalbezogenen Hochspannungsmessung in Nebenstromzweigen verwendet.

Im Vergleich zu herkömmlichen Aluminiumdrähten, die in der Heimdekoration verwendet werden, enthalten Aluminiumlegierungen in Automobilqualität Spurenelemente wie Silizium und Eisen, was ihnen eine höhere Flexibilität und Scherfestigkeit verleiht.

2. Anschlussklemmentechnik: Die größte Herausforderung bei der Verkabelung mit Aluminiumdrähten

Aluminium neigt zur Oxidation, hat eine geringe Härte und zeigt ein starkes Kriechverhalten; daher sind die Anschlüsse entscheidend für die Sicherheit von Aluminium-Kabelbäumen.

Gängige Branchenlösungen sind:

• Verzinnte Aluminium-Anschlussklemmen zum Korrosionsschutz von Aluminiumdrähten
• Reibschweißen von Aluminium und Kupfer (unterschiedliche Metalle)
• Ultraschall-Aluminiumbonden
• Stromschienenverbindungstechnik für Übergangsplatten zwischen Aluminium und Kupfer

Der Zweck dieser Technologien:

• Kontaktwiderstand verringern
• Wärmeentwicklung durch Oxidation verhindern
• Vibrationsbeständigkeit über lange Lebensdauer verbessern
• Lokale Lichtbogenbildung unter Hochspannungsbedingungen verhindern

3. Kompatibilität von Dämmmaterial und Mantelkonstruktion

Aluminiumdraht wird häufig verwendet:

• XLPE (vernetztes Polyethylen)
• ETFE/XL-FEP
• Hochtemperaturbeständiges TPE

Der Grund dafür ist, dass Aluminiumdraht ein anderes Wärmeableitungsverhalten als Kupfer aufweist, weshalb ein stabileres Isoliermaterial erforderlich ist, um die Isolationsdicke und die Durchschlagsfestigkeit aufrechtzuerhalten.

4. EMV-Abschirmung und Hochspannungssicherheitsdesign

Die in Hochspannungs-Übertragungsleitungen (HV Orange) verwendeten Aluminiumdrähte befinden sich hauptsächlich in Bereichen mit hoher Strahlung und erfordern daher eine gründliche Abschirmung.

Gängige Methoden:

• Schirmung aus Aluminium-Magnesium-Legierung
• Kupfergeflechtschirmung + Aluminiumleiter-Verbundschirmung
• Äußere Gesamtschirmung aus Aluminiumfolie

Die Integrität der Abschirmung hat direkten Einfluss auf die Störfestigkeit von OBC/DC-DC/Motorsteuerungen.

III. Typische Anwendungsszenarien von Aluminiumdrähten in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben

1. Hochspannungs-Hauptkabel des Akkus (Akku-HV-Kabel)

Die Verwendung von Aluminiumdrähten zum Verbinden von Akku, Verteilerkasten und Schnellladeanschluss stellt das ausgereifteste Anwendungsgebiet für diese Drähte dar.

2. Hochstrompfad der 800-V-Plattform

Bei leistungsstarken 3-in-1-Elektroantriebssystemen bestehen hohe Anforderungen an den Kabelquerschnitt, wobei Aluminiumdraht deutliche Vorteile bietet.

3. OBC (On-Board Charger) und PDU (Power Distribution Unit)

Bei Hochspannungs-Sammelschienen mit langen Leitungswegen spart Aluminiumdraht Kosten und Gewicht.

4. Hochleistungs-Wärmemanagementsystem

Aluminiumdrähte werden zunehmend in den Hochspannungszweigen von PTC-Heizungen und Batterie-Wärmepumpensystemen eingesetzt.

IV. Häufige Irrtümer: Sind Aluminiumdrähte weniger sicher als Kupferdrähte?

Irrtum 1: Aluminiumdrähte brechen leicht.

Die Aluminiumlegierungen der Hyundai AA-8000-Serie erfüllen in Bezug auf Zugfestigkeit und Flexibilität vollumfänglich die Anforderungen der Automobilindustrie.

Irrtum 2: Aluminiumdrähte oxidieren leicht.

Dieses Problem lässt sich vollständig durch Verzinnung, Verwendung korrosionsbeständiger Anschlüsse und Abdichtung mit O-Ringen lösen.

Irrtum 3: Aluminiumdrähte erzeugen mehr Wärme.

Die Wärmeentwicklung hängt vom Kontaktwiderstand ab. Durch gute Anschlussverarbeitung und Crimptechniken lässt sich die Betriebstemperatur von Aluminiumdrähten mit der von Kupferdrähten vergleichen.

Irrtum 4: Aluminiumdraht ist nicht für Hochspannung geeignet

Tatsächlich sind Hochspannungskabel ein Bereich, in dem Aluminium seine Stärken ausspielt (z. B. werden 99 % aller Stromübertragungsleitungen aus Aluminium gefertigt).

V. Prüf- und Verifizierungsverfahren für Hochspannungskabelbäume aus Aluminium

Um den Anforderungen der Automobilindustrie gerecht zu werden, müssen Aluminium-Kabelbäume typischerweise die folgenden Tests bestehen:

• ISO 6722-1 / 6722-2 Kabelprüfung
• LV216 / LV214 Hochspannungskabelbaumnormen
• Vibrationsbeständigkeit: 100–200 h, Klasse VI
• Temperaturwechselbeständigkeit: –40 °C bis 150 °C
• Salzsprühkorrosionsbeständigkeit: 500 h+
• Langzeit-Kontaktimpedanzmessung
• Hochspannungslichtbogenprüfung (HVIL)
• Thermoschock- und Feuchtwärmeprüfung

Diese Überprüfungen gewährleisten die Langzeitstabilität des Hochspannungskabelbaums aus Aluminiumdraht.

VI. Ausblick auf den Trend, dass Aluminiumdraht Kupferdraht ersetzt

Mit der Entwicklung von Hochvoltplattformen, Schnellladetechnologien und leistungsstarken elektrischen Antrieben werden Hochvoltkabelbäume aus Aluminiumdraht zu einer der Kerntechnologien für Fahrzeuge mit neuer Energie.

VII. Fertigung von Hochspannungs-Kabelbäumen aus Aluminium: Die Bedeutung der Zusammenarbeit mit spezialisierten Fabriken

Die Entwicklung von Hochspannungs-Kabelbäumen aus Aluminium ist mit einer extrem hohen technischen Komplexität verbunden. Dazu gehören Crimpverfahren für die Anschlüsse, Verbindungen unterschiedlicher Metalle, die Abstimmung der Isoliermaterialien, die Vibrationsfestigkeit und der Korrosionsschutz gegen Salzsprühnebel. Daher arbeiten viele Hersteller von Elektrofahrzeugen mit Zulieferern zusammen, die über Erfahrung in der Fertigung von Aluminium-Kabelbäumen verfügen, wie beispielsweise WIRE HARNESS ASSEMBLY (ein spezialisiertes Werk für kundenspezifische Kabelbäume von Kaweei). Diese Werke verfügen typischerweise über Kompetenzen wie Reibschweißen, Ultraschallschweißen, die Prüfung von Hochstrom-Crimpverbindungen und Spannungsfestigkeitsprüfungen. Dadurch wird der langfristig stabile Betrieb der Aluminium-Hochspannungs-Kabelbäume unter 400-V-/800-V-Bedingungen gewährleistet.

VIII. Abschluss

Der Einsatz von Aluminiumdraht in Hochspannungskabelbäumen für Elektrofahrzeuge ist nicht einfach nur ein „Materialersatz“, sondern das Ergebnis einer koordinierten Entwicklung in den Bereichen Werkstofftechnik, elektrische Verbindungstechnik, Sicherheitsstandards und Fahrzeugarchitektur.

Für Erstausrüster (OEMs) senkt Aluminiumdraht die Kosten und ermöglicht einen geringeren Gewichteinsatz; für die Zulieferkette stellen Technologien wie Aluminiumdrahtklemmen, Reibschweißen und Ultraschallschweißen zentrale Wettbewerbsvorteile dar.

Mit dem Aufkommen des 800-V-Schnellladezeitalters wird Aluminiumdraht nicht länger ein „Ersatz“ sein, sondern eine der gängigen Lösungen für Hochspannungssysteme darstellen.