Prüfung galvanischer Hochstromkontakte

Ausgangssituation

Messaufbau am Prüfstand

Der Anteil elektrisch angetriebener Fahrzeuge im Straßenverkehr wird sich zukünftig kontinuierlich vergrößern. Eine Voraussetzung dafür ist u. a. die Möglichkeit zum schnellen Aufladen der Fahrzeugenergiespeicher.

Bedingt durch die von der Ladestation auf das Fahrzeug zu übertragenden hohen Ströme und einen unvermeidlichen Übergangswiderstand kann es zu großen Spannungsabfällen an der Verbindungsstelle kommen. Dies führt zu einem Verlust an Nutzenergie, die an der Kontaktstelle in Wärme umgewandelt wird und dadurch für den Ladevorgang nicht mehr zur Verfügung steht. Gleichzeitig kommt es zu einer ungewollten Erhitzung des Systems. Belastungserscheinungen wie erhöhter thermischer und mechanischer Verschleiß bis hin zur Zerstörung können die Folge sein.

 

Schwerpunkte

Ein aktuelles Forschungs- und Entwicklungsthema am Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI ist die Übertragung hoher elektrischer Energiemengen von einer wegseitigen Energiequelle auf das Fahrzeug. Arbeitsschwerpunkte hierbei sind:

  • Entwurf und Konstruktion von Komponenten und Systemen zur Stromübertragung für die Schnellladung elektrisch betriebener Fahrzeuge,
  • zeitlich hochauflösende Messungen und Analyse des dynamischen Verhaltens,
  • modellbasierte Auslegung und Optimierung von systemrelevanten Parametern,
  • Eignungsuntersuchungen zur Verwendung unterschiedlicher Kontaktmaterialien.

Methodik

Verlauf von Temperatur und Verlustleistung während fünf aufeinanderfolgender Hochstromübertragungen

Temperaturverteilung im Prüfkörper

Eine Herausforderung bei der Erfassung des Erwärmungsprozesses während der Stromübertragung ist der hochdynamische Vorgangsablauf. Dieser setzt spezielle, zeitlich hoch auflösende Messinstrumente voraus, um quantitative Aussagen über die Einflussparameter treffen zu können. Dabei erschwert die Vielzahl unterschiedlicher Einflussgrößen, wie z.B. die elektrischen, mechanischen oder thermischen Merkmale der Kontaktpaarung, die Auslegung und Optimierung des Systems.

Bis ein vollständiges Kontaktsystem in die Infrastruktur des Betreibers integriert werden kann, ist eine ganzheitliche Betrachtung vom Einzelkontakt bis zum integrierten System notwendig. Ausgangspunkt hierbei ist die Auswahl passender Kontaktmaterialien sowie die Festlegung geeigneter geometrischer Formen. Diese Faktoren beeinflussen maßgeblich das thermische und mechanische Verhalten der einzelnen Bauteile.

Zusätzlich können über die Oberflächenstrukturierung und -beschichtung die elektrischen Eigenschaften definiert werden. Beim Zusammenfügen der Einzelkörper zu einem Gesamtsystem muss deren gegenseitige Wechselwirkung Berücksichtigung finden.

Technische Ausstattung

Beispielkonfiguration einer Kontaktpaarung

Zur Charakterisierung von Kontaktkörpern und -systemen für die Hochstromübertragung wurde am Fraunhofer IVI ein Prüfstand entwickelt und aufgebaut. Aufgrund der schnellen Messwerterfassung lassen sich auch dynamische Abläufe untersuchen und automatisch auswerten:

  • Abtastrate der Steuer- und Messsignale 400 Hz bis 220 kHz,
  • Kontaktwiderstände mit einer Messgenauigkeit bis zu 5 μW,
  • einstellbare Kontaktkräfte
  • Stromübertragung bis 3000 A.

Die experimentellen Untersuchungen werden durch modellbasierte Simulationen des thermischen und mechanischen Verhaltens der Kontaktpartner begleitet, so dass Wirkungszusammenhänge zwischen einzelnen Eingangsparametern und deren Einfluss auf das Gesamtsystem besser erfassbar sind. Eine Weiterentwicklung und Optimierung lässt sich damit ohne aufwendige Tests vornehmen, was erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen mit sich bringt.

 

Leistungsangebot

Das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI Dresden bietet die Entwicklung von Systemlösungen für die schnelle Übertragung elektrischer Energie auf Fahrzeuge an. Dabei steht eine durchgehende Betrachtung vom Einzelkontakt bis zum vollständigen Kontaktsystem im Vordergrund. Zudem können Analysen und Optimierungen bereits umgesetzter Kontaktsysteme ausgeführt werden. Hierbei schafft eine eingehende Charakterisierung der Eigenschaften die Grundlage sowohl für das Aufdecken von Fehlfunktionen und Schwachstellen als auch für eine Weiterentwicklung. Durch eine gezielte Veränderung der Parameter ist eine Adaption technischer Eigenschaften auf die speziellen Bedingungen der Hochstromübertragung möglich.

Referenzen

Lehnert, M., Klausner, S., Gamsizlar, Ö., Nieberle, R.: Neuartige Schnellladeeinrichtung für Traktionsenergiespeicher auf Stadtbahnen. TU Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften »Friedrich List«: VWT Dresden, 2009.