Ausgepustet: Passiver Schutz vor Lichtbögen im 42V-Bordnetz

Ab 2015 sollen knapp die Hälfte der Neuwagen mit einem 42V-Bordnetz ausgerüstet sein. Ein sicherheitstechnisches Problem sind noch die Lichtbögen, die sich beim Lösen unter Spannung stehender Kontakte bilden. Sie erreichen Temperaturen, die nicht nur die Kontakte schädigen, sondern sogar Brände auslösen können. Einen einfachen Weg diese Lichtbögen zu löschen, hat Wolfgang Langhoff vom Fraunhofer IPA gefunden.

Ob Scheibenheizung, Fensterheber, Klimaanlage oder elektomechanische Bremsen und Lenkung: Eine zunehmende Anzahl von elektrischen und elektronischen Komponenten im Automobil schraubt nicht nur den Stromverbrauch in die Höhe. Sie verlangt auch nach mehr Leistung. Vor diesem Hintergrund und auch um Leitungsverluste zu begrenzen plant eine Gruppe großer Automobilhersteller die Anhebung der Kfz-Bordnetzspannung auf 42 Volt bis 2008. Laut einer Analyse der Unternehmensberatung Frost & Sullivan wollen die meisten Hersteller bis dahin Kfz mit einem 42V-Bordnetz anbieten. Die seit 1996 diskutierte Neuerung wird bereits seit 2002 für einzelne, lokale Applikationen wie die flächige Frontscheibenheizung in Serienfahrzeugen genutzt. „Im aktuellen 12V- (Batteriespannung) bzw. 14V- (Nennspannung) Bordnetz ist eine weitergehende Elektrifizierung äußerst schwierig, da sowohl die Generatorleistung als auch die nötigen Stromstärken große Probleme bereiten – vor allem, wenn mehrere große Verbraucher gleichzeitig aktiv sind“, erklärt Wolfgang Langhoff vom Fraunhofer IPA.

Eines der größten Hindernisse für die Umstellung auf 42 Volt ist sicherheitstechnischer Natur. Liegt eine Spannung dieser Höhe an, können sich beim Fügen oder Lösen von Steckverbindern stabile Lichtbögen bilden. „Beim Trennen der elektrischen Kontakte in einem repräsentativen Stromkreis – z. B. 48 Volt, 5 Ampere für elektrische Fensterheber oder Lüfter – bildet sich beim Abziehen eines Steckverbinders unter Last zwischen den Kontakten ein Lichtbogen aus. Er erreicht eine Temperatur von mehr als 5000 K und schädigt damit sowohl die Kontakte als auch das Steckergehäuse“, berichtet Langhoff. Im schlimmsten Fall könne dieser Lichtbogen sogar einen Fahrzeugbrand auslösen, warnt er. Der IPA-Wissenschaftler hat ein passives Sicherheitskonzept für Steckverbinder entwickelt, das im Oktober mit dem Fraunhofer IPA Innovationspreis 2002 ausgezeichnet wurde und auch in der Automobilindustrie auf reges Interesse stößt.

Seine Grundidee ist, den Lichtbogen mit einem Luftstrom zu löschen. Dabei macht sich Langhoff zu Nutze, dass immer mehr gedichtete Steckverbinder in den Kfz verbaut werden – sie wirken der Kontakterrosion entgegen und gewährleisten eine hohe Qualität der elektrischen Verbindung über die gesamte Lebensdauer des Automobils. Beim Öffnen dieser Steckverbinder entsteht durch den Ausgleich des Unterdrucks in der Kontaktkammer ein Luftstrom. Ein zusätzlicher Lüftungskanal im radial gedichteten Stecker nutzt diesen Effekt und leitet den Luftstrom gezielt an den Kontakten vorbei. Die Intensität der Kühlluftströmung reicht aus, um das Plasma des Lichtbogens zu verdrängen und ihn damit zu löschen. Da die Spannung von 42 Volt nicht ausreicht, um die kühle Luft erneut zu ionisieren, kann sich kein zweiter Lichtbogen mehr bilden.

Bei der Automobilherstellung entstehen durch die Umstellung auf 42V enorme Mehrkosten für Verdrahtung und Elektronik. Alleine für den Leitungssatz rechnet z. B. Opel bei Kleinwagen und Fahrzeugen der unteren Mittelklasse mit Mehrkosten von rund 500 Euro. Sie sind auf die komplexere Absicherungproblematik bei Zwei-Spannungs-Bordnetzen während der Übergangsphase sowie auf die Notwendigkeit der Lichtbogenprotektion zurückzuführen. Selbst wenn anfangs nur fünf Prozent der Fahrzeuge mit einem 42V-Bordnetz ausgeliefert würden, bedeutete das für alle deutschen Automobilhersteller einen Mehraufwand von 240 Millionen Euro pro Jahr. „Durch ein passives Verfahren zur Lichtbogenunterdrückung können diese Kosten wesentlich gesenkt werden“, sagt Langhoff. Erste Gespräche mit Steckverbinderherstellern laufen bereits. Das Fraunhofer IPA präsentiert das Konzept auf der Electronica 2002, die von 12. bis 15. November in München stattfindet: Anwenderforum Automotive Innovation, Stand C2 A10.

Ansprechpartner:

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-Ing. Wolfgang Langhoff
Telefon: 0711-970-1216
E-Mail: wolfgang.langhoff@ipa.fraunhofer.de