Befestigungselemente für Elektrofahrzeuge: Unmagnetisch und HV-zertifiziert.

Bei den mechanischen Komponenten von Elektrofahrzeugen handelt es sich um Präzisionsverschlüsse, Unterlegscheiben und Befestigungen, die für vier Einschränkungen entwickelt wurden, die bei herkömmlichen ICE-Fahrzeugen kaum eine Rolle spielten: Hochspannungsisolierung (HV), niedrige magnetische Permeabilität, Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechsel und Gewichtsziele auf Grammniveau.

Jede Befestigung in einem modernen Elektrofahrzeug berührt mindestens eine dieser Beschränkungen, weshalb sich die Verbindungselemente für Elektrofahrzeuganwendungen in den letzten zehn Jahren stark von denen für Verbrennungsmotoren unterschieden haben. Eine falsch spezifizierte Schraube an der Batterie, Stromschiene oder am Wechselrichter kann den Wirkungsgrad beeinträchtigen, die Sicherheit gefährden oder die Zertifizierung ungültig machen.

In diesem Handbuch werden die Verbindungselemente für Elektrofahrzeuge, die Konstrukteure am häufigsten spezifizieren, die zugrunde liegenden Materialentscheidungen sowie die Accu-Sortimente und Produkte, von denen sie geliefert werden, dargestellt. Dabei wird die Serienproduktion berücksichtigt, die von der Entwicklungsarbeit im Motorsport beeinflusst wurde.

Inhalt:

• Unterschiede zwischen Verbindungselementen in Verbrennungsmotoren und Elektrofahrzeugen

• Montage des Akkupacks: Bauteile unter Last, Spannung und Hitze

• Sammelschienenmontage: Wo Mechanik auf Elektrik trifft

• Ladeinfrastruktur: Für den Einsatz im Freien gebaut, auf Langlebigkeit ausgelegt

• Befestigungen für Motor, Wechselrichter und Antriebsstrang

• Vom Formel-Studenten bis zur Serienproduktion: Was uns EV Racing lehrt

• Das Angebot an mechanischen Komponenten für Elektrofahrzeuge von Accu auf einen Blick

Unterschiede zwischen Verbindungselementen in Elektrofahrzeugen und Verbrennungsmotoren.

Bei der Spezifikation von Verbindungselementen für Verbrennungsmotoren stehen Hitze, Vibration und Wiederholbarkeit des Drehmoments im Vordergrund — ausgereifte technische Herausforderungen mit gut verstandenen Lösungen. Die vier EV-Beschränkungen — Hochspannungsisolierung (HV), niedrige magnetische Permeabilität, Temperaturwechselbeständigkeit und Gewichtsziele auf Gramm-Niveau — beeinflussen, welche Materialien und Güten die Ingenieure zuerst verwenden, selbst wenn die Verbindungsgeometrie mit einem Verbrennungsäquivalent identisch aussieht.

Der praktische Unterschied bei der Auswahl der Verbindungselemente zeigt sich in der Materialauswahl.

• Ein Verbrennungsmotor benötigt selten einen nichtmagnetischen Bolzen. Ein EV-Batteriemodul spezifiziert diese standardmäßig in der Nähe des Batteriemanagementsystems.

• Bei einem ICE-Auspuffkrümmer steht die Hitzebeständigkeit im Vordergrund; bei einer EV-Sammelschiene steht die elektrische Kontinuität während des Betriebs sowie die Korrosionsbeständigkeit gegen Salz und Feuchtigkeit im Vordergrund.

• Während bei einem Verbrennungsmotor die Hälfte seiner Baugruppe mit generischen 8,8-Schrauben versehen sein könnte, spezifiziert ein Elektrofahrzeug 12,9 für klemmkritische Verbindungen, BUMAX-Edelstahl für nichtmagnetische Strukturpositionen und Titan der Güteklasse 5, wo die rotierende Masse oder das bereichskritische Gewicht dominieren.

Jedes Teilsystem unterliegt einer anderen dominanten Beschränkung: Isolierung an der Batterie, Stromdichte an der Sammelschiene, Witterungsbeständigkeit am Ladegerät und Gewicht am Antriebsstrang. In den folgenden Abschnitten werden die einzelnen technischen Beschränkungen nacheinander in Bezug auf einen bestimmten Beispielbereich eines Elektrofahrzeugs behandelt.

Montage des Akkupacks: Komponenten unter Last, Spannung und Hitze.

Bei der Montage von Batteriepacks werden drei mechanische Anforderungen kombiniert, die anderswo selten zusammenfallen: präzise Spannkraft auf Zellen, die mit dem Ladezustand anschwellen, elektrische Trennung zwischen Hunderten von stromführenden Verbindungen und magnetische Neutralität in der Nähe des Batteriemanagementsystems (BMS) und der Stromsensoren. Jeder EV-Batteriehalter muss alle drei Anforderungen erfüllen, bevor er seinen Platz in der Baugruppe verdient.

Bei den Komponenten von Elektroautobatterien wird der gesamte Randbedingungssatz berücksichtigt, nicht nur der dominante. Beispielsweise ist ein 12,9-Stahlbolzen mit perfekter Vorspannung immer noch das falsche Teil neben einem Hall-Effekt-Sensor, weil sein Ferromagnetismus das Magnetfeld zur Stromerfassung verzerrt.
Die Disziplin der Befestigung von EV-Batterien besteht darin, sicherzustellen, dass die ausgewählten Befestigungen allen mechanischen Anforderungen entsprechen, nicht nur den primären.

Edelstahl mit niedriger magnetischer Permeabilität gehört in die Nähe des BMS.

Edelstahl A4 (316 Marine) ist die Standardwahl für nichtmagnetische Befestigungselemente in der Nähe des BMS, Hall-Effekt-Stromsensoren und Shunt-Widerstände.

Im lösungsgeglühten Zustand liegt Edelstahl A4 deutlich unter dem Schwellenwert von 1,01 µr (relative Permeabilität), den Ingenieure normalerweise für Sensornähe angeben, wodurch er außergewöhnlich widerstandsfähig ist, im Laufe der Zeit magnetisch zu werden.

Dieser Widerstand ist wichtig, da austenitischer Edelstahl nicht automatisch unmagnetisch ist. Die Kaltverformung beim Walzen oder Verlegen erhöht die Durchlässigkeit messbar, und bei gleicher Beanspruchung verschiebt sich die Klasse A2 um mehr als die von A4. Wo magnetische Interferenzen in der Nähe von Sensoren unumgänglich sind, weist A4 eine geringere Permeabilität auf als kaltverformtes A2. Die BUMAX-Edelstahlvarianten eignen sich für Anwendungen, für die ebenfalls eine Vorspannung der Klasse 12,9 erforderlich ist.

Spannkraft- und Drehmomentsteuerung in Batteriemodulen.

Durch die Spannkraft bleibt der Batteriemodulstapel zusammengedrückt, sodass sich Zellen, Kühlplatten und Stromschienen bei Vibrationen, Stößen oder Temperaturschwankungen nicht verschieben können. Diese Kraft entsteht durch die Vorspannung der Schrauben. In den Größen M6—M10 bieten 12,9 hochfeste Zylinderkopfschrauben nach DIN 912 die höchste Vorspannung pro Durchmesser. Wenn Korrosionsbeständigkeit oder eine niedrige magnetische Signatur erforderlich sind, bietet BUMAX eine vergleichbare Vorspannungsklasse für austenitische Edelstähle.

Das Drehmoment allein kann unzuverlässig sein. Die Gewindereibung variiert je nach Beschichtung und Schmiermittel, was bedeutet, dass ein Teil des aufgebrachten Drehmoments durch diese Reibung aufgenommen und nicht in Schraubenspannung umgewandelt wird. Beim Anziehen vom Drehmoment bis zur Ergiebigkeit (TTY) wird dieses Problem gelöst, indem die Schraube über ihre Elastizitätsgrenze hinaus gedehnt wird, wodurch unabhängig vom Reibungskoeffizienten eine wiederholbare Vorspannung entsteht.

Wenn TTY für ein Batteriemodul nicht spezifiziert ist, verengt eine Gewindebeschichtung mit kontrollierter Reibung wie AccuLock, Precote 80 oder Anu-Lok 180 in Kombination mit kontrolliertem drehmomentbasiertem Anziehen das Kalibrierungsfenster.

Schulterunterlegscheiben aus Nylon 66 zur Isolierung bei hohen Spannungen.

Was die Elektrofahrzeugbranche als hochspannungsisolierte Unterlegscheiben bezeichnet, führt Accu als Nylon 66-Schulterwaschanlagen auf. Das Bauteil hat zwei isolierende Oberflächen: einen Flansch, der unter dem Schraubenkopf sitzt und ihn von der Leiterfläche isoliert, und eine Hülse durch das Durchgangsloch, das den Bolzenschaft von der Leiterbohrung trennt. Zusammen unterbrechen sie beide Kurzschlusspfade an der Verbindungsstelle. Nylon 66 widersteht Säuren, Ölen, Fetten und Industriechemikalien, die für Batteriegehäuse typisch sind.

Sie werden in der Regel mit einer standardmäßigen flachen Unterlegscheibe auf der Rückseite für eine beidseitige Isolierung oder mit einer vollständigen Zylinderkopfschraube aus Nylon, Polycarbonat oder PEEK geliefert, bei der das gesamte Befestigungselement nicht leitend sein muss. Zu den typischen Positionen gehören Stromschienenanschlüsse, BMS-Halterungen und Leiterplattenbefestigungen im Hochspannungsspeicher.

Zellkomprimierung mit Belleville Washer Stacks.

Die Zellen der Batteriebeutel quellen beim Laden auf und schrumpfen beim Entladen. Das Batteriemodul muss diese Dimensionsänderung aufnehmen, ohne den Kontaktdruck zu verlieren oder die Zelle zu zerdrücken.

Eine normale Unterlegscheibe kann sich auf diese Weise nicht anpassen: Sobald das Drehmoment angezogen ist, hat sie keinen Federweg mehr. Eine Belleville Washer verfügt über eine Feder, die die Vorspannung speichert, wenn sie abgelenkt wird, und sie beim Atmen der Zelle wieder abgibt. Dadurch wird das Modul während der gesamten Lebensdauer des Akkus zwischen etwa 100 und 300 kPa gehalten.

Accu hat Belleville-Unterlegscheiben nach DIN 6796 aus Edelstahl A2 und Acetal, metrisch M3—M24, mit einer Dickentoleranz von ±0,13 mm auf Lager. Die Acetal-Varianten eignen sich für Stellen, an denen nichtmetallische Kompression in der Nähe von HV-Anschlüssen erforderlich ist.

Belleville Washer Stacks

Belleville-Unterlegscheiben zeichnen sich dadurch aus, wie sie sich verhalten, wenn sie gestapelt werden. Dieselbe Unterlegscheibe kann für einen weicheren Lauf oder eine festere Klemmung sorgen, je nachdem, wie sie gegenüber ihren Nachbarn ausgerichtet ist.

 

 

 

In Reihe: Da die Unterlegscheiben in wechselnder Richtung angeordnet sind, biegt sich jede Unterlegscheibe bei gleicher Belastung unabhängig voneinander aus. Die Durchbiegung verdoppelt sich bei gleichbleibender Last etwa pro Unterlegscheibe, die dem Stapel hinzugefügt wird. Dadurch wird das Gelenk weicher bewegt und der Arbeitsbereich verlängert. Dies ist die richtige Anordnung, bei der die Schraubverbindung mehr Formänderungen aufnehmen muss, als eine einzelne Unterlegscheibe aufnehmen könnte, z. B. größere Temperaturschwankungen oder Zellen, die während ihres Ladezyklus stärker anschwellen.

 

 

 

 

 

 

 

Wenn parallel: Wenn die Unterlegscheiben auf die gleiche Weise verschachtelt sind, wirkt der Stapel wie eine einzige, dickere Unterlegscheibe mit einer höheren Federrate. Die Belastung verdoppelt sich ungefähr mit jeder hinzugefügten Unterlegscheibe, während die Durchbiegung konstant bleibt, was für eine festere Klemmung und eine höhere Haltekraft sorgt. Dies eignet sich für Verbindungen, bei denen die Beibehaltung der Vorspannung im Vordergrund steht und die absorbierte Maßänderung gering ist, wie z. B. bei Stromschienenverbindungen, die thermisch wechselnden Temperaturen ausgesetzt sind.

Sammelschienenmontage: Wo Mechanik auf Elektrik trifft.

Bei Stromschienenverbindungen handelt es sich um strukturelle Verbindungselemente, die auch Strom leiten müssen. Das bedeutet, dass Material, Oberfläche und Klemmung während der gesamten Lebensdauer des Pakets mit dem Widerstand und der Wärmeentwicklung zusammenhängen. Eine Stromschienenschraube, die am ersten Tag richtig angezogen wurde, kann das Paket immer noch Tausende von Zyklen später zum Versagen bringen, wenn die Kontaktkraft nachgelassen hat oder Korrosion eingedrungen ist.

Bimetallische Korrosion zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer.

Aluminium und Kupfer liegen auf der galvanischen Skala, einer elektrochemischen Rangfolge, die Metalle danach auflistet, wie leicht sie in Gegenwart eines Elektrolyten Elektronen abgeben, etwa 0,5 V voneinander entfernt. Je größer der Spannungsabstand zwischen zwei Metallen auf der Skala ist, desto aggressiver, desto weniger Edelmetalle korrodieren, wenn sie sich in feuchter Umgebung berühren. Wenn Feuchtigkeit oder Salz eine Brücke zwischen Aluminium und Kupfer bilden, wird durch diesen Abstand von 0,5 V ein kleiner Strom durch die Verbindungsstelle geleitet. Das Aluminium wird zur Anode und löst sich auf; das Kupfer ist wie die Kathode geschützt. Das Ergebnis ist Oxidation an der Grenzfläche, steigender Kontaktwiderstand, lokale Erwärmung und schließlich ein offener Stromkreis. Packungsfeuchte, Streusalz und Kondensation durch Temperaturwechsel beschleunigen die Reaktion.

Zwei Maßnahmen zur Schadensbegrenzung lassen sich gut kombinieren, um dies zu verhindern.
Unterbrechen Sie zunächst das Materialpaar an der Kontaktfläche. Durch die Zinn- oder Nickelbeschichtung an der Stromschiene oder leichter am Schraubenkopf treffen Aluminium und Kupfer niemals direkt aufeinander.
Isolieren Sie zweitens das Befestigungselement selbst. Eine Unterlegscheibe aus Nylon 66 und eine Nylonhülse sorgen dafür, dass der Bolzenschaft nicht mit beiden Leitern in Kontakt kommt. Eine mit EPDM verbundene Dichtscheibe unter dem Kopf verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit an der Verbindungsfläche.

Bei diesen beiden Maßnahmen handelt es sich um Zusatzmaßnahmen, nicht um Alternativen, und bei Produktionspaketen werden in der Regel beide zusammen mit anderen Konstruktionsaspekten verwendet.

Belleville-Unterlegscheiben zur Aufrechterhaltung der Kontaktkraft.

Stromschienen entspannen sich aus einem anderen Grund als Batteriezellen.
Zellen quellen, wie bereits erwähnt, auf, wohingegen Stromschienen unter Strombelastung thermisch zirkulieren. Sie dehnen sich aus, wenn sie sich erwärmen, und lockern sich, wenn sie abkühlen. Die Ausfallschleife ist gut dokumentiert und verstärkt sich von selbst: Die Klemmkraft der Verbindungselemente nimmt mit der Zeit ab, was zu einem Anstieg des Kontaktwiderstands, einer zunehmenden Erwärmung, einer weiteren Erweichung der Verbindung und einer Verschlechterung der Sammelschienenbaugruppe führt.

Ein Belleville Washer Stapel hilft dabei, die Schlaufe zu durchbrechen, indem die Axialkraft über die aktive Biegefläche übertragen wird, sodass die Verbindung beim Atmen des Metalls die Vorspannung beibehält. Die Produktauswahl an der Stromschiene hängt von der Schraubengröße und der Umgebung ab. Belleville aus Edelstahl A2 eignet sich für geschlossene Verpackungen.

Für trockene, geschlossene Akkus eignen sich die Belleville-Unterlegscheiben aus Edelstahl A2 für den Standardbau metrischer Verbindungselemente. Bei kleineren Anschlüssen, bei denen die Schraubengröße unter der von Belleville liegt, übernehmen die Scheibenfederscheiben von Accu aus Edelstahl A4 (316) die Oberhand. Die Klasse A4 erhöht die Korrosionsbeständigkeit an Anschlüssen, die Feuchtigkeit oder Salz ausgesetzt sind — den gleichen Bedingungen, die an anderen Stellen der Stromschiene zur Bimetallkorrosion führen.

Wahl des Werkstoffs und der Beschichtung für Sammelschienenschrauben

Eine Sammelschienenschraube trägt zwei Lasten gleichzeitig: eine mechanische Vorspannung, die die Verbindung zusammenhält, und elektrischer Strom, der durch den Schraubenkörper fließt, wenn sich die Kontaktflächen entspannen. Die Materialwahl bestimmt das Gleichgewicht zwischen beiden.

Edelstahl A4 (316) widersteht Korrosion in feuchten oder salzbelasteten Packungen, hat aber einen etwa 40-mal höheren spezifischen Widerstand als Kupfer und trägt daher erheblich zur Erwärmung der Verbindungsstellen bei hohen Strömen bei.
12.9 Hochfester Stahl bietet die höchste Vorspannung pro Durchmesser für strukturelle Sammelschienenverbindungen. Blanker Stahl oxidiert jedoch an der Kontaktfläche und muss vernickelt oder verzinnt werden, um den Strom sauber abzuleiten.

Die Wahl der Beschichtung legt dann das Drehmoment fest. Verschiedene Beschichtungen verändern die Reibung an der Gewindeschnittstelle. Dadurch wird bestimmt, wie viel des aufgebrachten Drehmoments in die tatsächliche Schraubenvorspannung umgewandelt wird und nicht durch Reibung verloren geht. In den veröffentlichten Drehmomenttabellen wird von einer bestimmten Beschichtung und einem bestimmten K-Faktor ausgegangen, weshalb die K-Faktoren bei Schmierung oder Trockenmontage normalerweise direkt in der Verbindungszeichnung angegeben werden.

Ladeinfrastruktur: Für den Außenbereich gebaut, auf Langlebigkeit ausgelegt.

Die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge ist für brutale Betriebsumgebungen konzipiert: UV-Strahlung, Regen, Salznebel, Frost-Tau-Zyklen und mechanische Einwirkungen, oft über eine prognostizierte Nutzungsdauer von 20 Jahren. Die Befestigungen für Elektrofahrzeuge werden hier sowohl aufgrund des Dichtungsverhaltens des Gehäuses als auch aufgrund ihrer Zugfestigkeit und ihrer isolierenden Eigenschaften ausgewählt.

UV-stabile Kunststoffbefestigungen.

Herkömmliches Nylon versprödet bei längerer ultravioletter (UV) Einwirkung, wodurch das Polymer geschwächt wird und es zu Mikrorissen auf der Oberfläche kommt. Dies führt dazu, dass das Verbindungselement an Zugfestigkeit verliert, lange bevor es schlecht aussieht.

Die richtige Auswahl der Materialqualität behebt dieses Problem.

• PA66 (Nylon 66) übertrifft PA6 in Bezug auf UV-Stabilität für Außenanlagen, einschließlich Ladeinfrastruktur.

• PEEK und PPS eignen sich für kontinuierliche Hochtemperaturzyklen und aggressiven Kontakt mit Chemikalien, wie z. B. Elektrolytspritzer oder Kühlmittelleitungen.

• Polycarbonat behält seine Schlagfestigkeit bei niedrigen Temperaturen besser bei als Nylon, was für Ladegeräte in kalten Klimazonen von Bedeutung ist.

• RENY (glasgefülltes PA) wird dort eingesetzt, wo metallische Festigkeit ohne Leitfähigkeit erforderlich ist.

Entflammbarkeit ist ebenso wichtig. UL 94 ist der Standard der Underwriters Laboratories, der klassifiziert, wie Kunststoffe auf eine kleine Flamme reagieren. Eine Bewertung von V-0 ist die höchste Bewertung bei vertikaler Verbrennung, was bedeutet, dass sich das Polymer innerhalb von 10 Sekunden selbst verlöscht und kein brennendes Material abtropft. V-0 ist der Ausgangswert für das Laden von Geräten in der Nähe von stromführenden Leitern. PEEK erfüllt standardmäßig V-0; Nylon und Polycarbonat müssen speziell für die Bewertung formuliert sein, je nach Verwendungszweck. Prüfen Sie daher immer die UL-Einstufung Ihrer Verbindungselemente oder sprechen Sie mit unseren Technikern.

Dichtscheiben zur Gewährleistung der Gehäuseintegrität.

Eine IP-Klassifizierung von IP67 erfordert, dass eine Baugruppe das vorübergehende Eintauchen in Wasser übersteht. Diese Schutzklasse gilt nicht nur für die allgemeine Abdichtung des Gehäuses, sondern auch für alle durchdringenden Befestigungselemente. Dichtscheiben aus Edelstahl 18-8/304 mit einem verklebten EPDM-Gummiring verformen sich unter dem Drehmoment und fließen in Oberflächenunebenheiten sowohl am Schraubenkopf als auch an der Gegenfläche und sorgen so für eine wasserdichte Abdichtung.

EPDM widersteht Ozon, UV-Strahlung und Flüssigkeiten auf Wasserbasis, einschließlich Kühlflüssigkeit, Scheibenwaschanlage, Bremsenreiniger und salzhaltigem Straßenspray. Daher ist es die Standardmischung für Ladeeinlässe, Anschlussdosendeckel und Gehäuse für integrierte Ladegeräte. EPDM ist nicht gut gegen Kraftstoffe, Mineralöle oder Kohlenwasserstofflösungsmittel geeignet.
Eine geeignete Kombination von Elektrofahrzeugen zum Abdichten von Unterlegscheiben sind A4-Edelstahlschrauben (316), bei denen Salznebel ein Problem darstellt, oder bei PEEK/Polycarbonat-Varianten, bei denen die Schraube selbst elektrisch isoliert sein muss.
Bei der Arbeit mit Dichtungsscheiben ist es wichtig, das Befestigungselement entsprechend den Angaben des Herstellers anzuziehen, nicht der Schraubenspezifikation, da das EPDM dauerhaft fest wird und es beim nächsten Wartungszyklus zu Undichtigkeiten kommen kann.

Motor-, Inverter- und Antriebsstrangbefestigungen.

Für Motor-, Umrichter- und Antriebsstrangbaugruppen gelten andere Beschränkungen für die Befestigungselemente als für Batterie- oder Sammelschienenbaugruppen. Hier ist das Hauptproblem die Masse und insbesondere die Position der Masse, da die rotierende Masse die Beschleunigung, das Bremsverhalten und die Lenkpräzision in einer Weise beeinflusst, wie dies bei statischer Masse nicht der Fall ist. Temperaturwechsel und Vibration sind neben dem Gewicht sekundäre Beschränkungen, und das richtige Verbindungselement muss alle drei Faktoren ausgleichen.

Titan der Güteklasse 5 für rotierende und strukturelle Massen

Titan der Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V) ist die Standardspezifikation, bei der Gewichtseinsparung am wichtigsten ist. Es bietet die perfekte Lösung für Befestigungselemente für Motoren in Elektrofahrzeugen. Bei Zugfestigkeiten über 895 MPa und einer Dichte von etwa 40% der Dichte von Stahl bietet eine Titanschraube eine vergleichbare Vorspannung wie Edelstahl bei einem Bruchteil der Rotationsträgheit. Federstützen, Radnaben, Bremssattelhalterungen und Motorbauteile sind die typischen Einsatzbereiche. Aufgrund des höheren Preises gegenüber Edelstahl ist Titan als Allzweckbefestigung für den Antriebsstrang nicht geeignet. Aber überall dort, wo sich rotierende oder ungefederte Masse direkt auf die Leistung auswirkt, kann sich das eingesparte Gewicht schnell bezahlt machen.

Aluminium 7075 T6 für Gehäuse und statische Strukturbefestigungen

Das für die Luft- und Raumfahrt geeignete Aluminium 7075 T6 deckt die zweite Stufe gewichtskritischer Anwendungen ab, bei denen das Gelenk strukturell, aber nicht rotierend ist. Wechselrichtergehäuse, Motorabdeckungen, Getriebegehäusebefestigungen und Zubehörhalterungen sind typische Positionen.
Die Bezeichnung T6 bezieht sich auf einen Wärmebehandlungsprozess, bei dem die Legierung ihre maximale Festigkeit erreicht, gefolgt von einer Lösungsbehandlung, die die Festigkeit des Aluminiums in etwa verdoppelt. Das Ergebnis ist ein Verschluss, der die Gewinde auch bei wiederholter Montage und Demontage sauber hält. Dies ist besonders wichtig bei Zugangsklappen und zu wartenden Gehäusen, bei denen ein weicheres Aluminium abplatzen oder abblättern würde.

Schutz vor Erschütterungen und Temperaturschwankungen

Die Gelenke des Antriebsstrangs befinden sich näher an der Schwingungsquelle als fast jede andere Befestigungsposition am Fahrzeug. Motor, Getriebe, regeneratives Bremsen und Straßeneingang sorgen für kontinuierliche hochfrequente Schwingungen in den umliegenden Schraubbaugruppen. Hinzu kommen Temperaturwechsel aufgrund von Wechselrichter-Schaltverlusten und Motorwärme.
Während sich Batterieklemmen durch Anschwellen der Zellen lösen und Stromschienenschrauben durch Wärmeausdehnungen des Leiters, lösen sich die Schrauben am Antriebsstrang durch reine Mikrorotation: Jede Schwingung stützt die Schraube nur bruchstückhaft, und die kumulative Wirkung wickelt die Verbindung über Tausende von Zyklen ab.

Vorab aufgetragene Schraubensicherungsverbindungen sind die Standardlösung. Die Auswahl richtet sich nach der anhaltenden Spitzentemperatur der Verbindung: AccuLock für Umgebungs- und Warmbetrieb, Anu-Lok 180 für das mittlere Band und Precote 80 bis etwa 200 °C an den Wechselrichtern und am Motor.

Nyloc-Muttern eignen sich für geometrische Fälle, in denen zuvor aufgetragene Verbindungen nicht möglich sind: Durchsteckverbindungen, bei denen die Schraube durch die Montagegeometrie fixiert wird und nur die Mutter beim endgültigen Drehmoment zugänglich ist. Ein typisches Beispiel hierfür ist eine Motorhalterung, bei der die Schraube eine Gehäusehalterung durchdringt und das Motorgehäuse auf der anderen Seite festklemmt. Der Schraubenkopf sitzt fest an der Halterung und kann nicht repariert werden, sodass die Verriegelungsfunktion auf der Mutterseite erfolgen muss.

Vom Formula-Studenten zur Produktion: Was uns EV Racing lehrt.

Die Formula Student EV-Programme fassen jahrzehntelange Erfahrungen aus der Produktion von Elektrofahrzeugen in einem einjährigen Bauzyklus zusammen und sind somit ein nützliches Testfeld für die Spezifikation von Verbindungselementen.
Der Elektro-Rennwagen USM23 des Teams von University of Strathclyde Motorsport ist ein typisches Beispiel, das in der Strathclyde USM23-Fallstudie dokumentiert ist. Bei der Konstruktion des Akkus kommen Nylonverschlüsse von Accu zum Einsatz, die speziell für die HV-Isolierung entwickelt wurden. Dieses Spezifikationsmuster ist bei allen Verbindungselementen von Elektrofahrzeugen auf Zellen-, Modul- und Packebene inzwischen Standard.

„Die elektrisch isolierenden Nylonverschlüsse von Accu sind für die Montage sicherheitskritischer Komponenten in unserer Hochspannungsbatterie unverzichtbar. Da sie isolierend sind, ermöglichen sie es uns, alles sicher zu sichern, ohne dass das Risiko von Kurzschlüssen besteht, und schützen so den Fahrer und alle Beteiligten.“

Taylor Phillips,
Leiter der Abteilung Akkumulatoren, University of Strathclyde Motorsport.

Die Erkenntnis ist, dass das Design von Serienbatterien für Elektrofahrzeuge dieselben grundlegenden Spezifikationsprobleme aufweist wie der USM23-Akkumulator, nur in einem anderen Maßstab und einer anderen Lebensdauer. Gewichtsvorgaben, HV-Isolierung, magnetische Neutralität und Disziplin bei der Vorspannung lassen sich direkt vom Rennsport in die Serienproduktion umsetzen.

Das Angebot an mechanischen EV-Komponenten von Accu auf einen Blick.

Zu jeder Komponente finden Sie auf der Produktseite ein kostenloses 3D-CAD-Modell. Beim Kauf erhalten Sie standardmäßig ein Konformitätszertifikat, das den Konstruktionsteams den Überblick über die Dokumentation bietet, die für die HV-Sicherheitszertifizierung vom Prototyp bis zur Produktion erforderlich ist.

Für Fahrzeuge in Großbritannien und den USA ermöglicht AccuPro eine unbegrenzte Expresslieferung für jede Bestellung, ob groß oder klein. Auf Lager befindliche Komponenten werden bei typischen Bestellungen für den Prototypenbau von Elektrofahrzeugen am selben Werktag versendet. Das bedeutet, dass eine Neuspezifikation von einer A2-Schraube auf BUMAX oder von Edelstahl auf Titan der Güteklasse 5 selten mehr als einen Tag nach dem Bauzeitplan kostet. Als einer der führenden Anbieter von Komponenten für Elektrofahrzeuge hält Accu ein umfangreiches Sortiment an Verbindungselementen für Elektrofahrzeuge für Batterie-, Stromschienen-, Lade- und Antriebsanwendungen auf Lager.

Zusammenfassung: Verbindungselemente für Elektrofahrzeuge.

Um unsere Reise durch die Spezifikationen von Elektrofahrzeugen zusammenzufassen: Die vier Einschränkungen Hochspannungsisolierung, niedrige magnetische Permeabilität, Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechsel und Gewichtseffizienz beeinflussen die Materialauswahl in jedem Subsystem, vom Akkupack über die Stromschiene bis hin zum Ladegehäuse.

Die richtige Spezifikation auf der Ebene der Verbindungselemente sorgt dafür, dass Elektrofahrzeuge in der Produktion sicher, effizient und über eine Lebensdauer von 20 Jahren zertifizierbar sind. Als in Großbritannien ansässiger Hersteller von Verbindungselementen für Elektroautos und Lieferant von Präzisionskomponenten bietet Accu das gesamte Elektrofahrzeug-Sortiment in einem einzigen Katalog mit kostenlosen 3D-CAD-Downloads und einer Konformitätsbescheinigung als Standard.

Weiterführende Lektüre.

• Was verursacht galvanische Korrosion und wie kann ich sie verhindern?

• Was sind IP-Ratings?

• Ein Leitfaden für Ingenieure zu Titanqualitäten

Häufig gestellte Fragen.

F: Was sind die Unterschiede zwischen Verbindungselementen in Verbrennungsmotoren und Elektrofahrzeugen?

A: Bei Verbindungselementen für Elektrofahrzeuge kommen vier weitere Beschränkungen zur Brandschutzspezifikation hinzu: Hochspannungsisolierung, niedrige magnetische Permeabilität, Temperaturwechsel bei Strombelastung und Gewichtsvorgaben, die von der Reichweite abhängen.
Bei Verbrennungskonstruktionen stehen Hitze- und Vibrationsbeständigkeit im Vordergrund. Elektrofahrzeuge verfügen über nichtmagnetische Nahsensoren aus Edelstahl A4 oder BUMAX, Schulterscheiben aus Nylon 66 für HV-Verbindungen und Titan der Güteklasse 5 für gewichtskritische rotierende Baugruppen.

F: Sind alle Verbindungselemente aus Edelstahl unmagnetisch?

A: Nein. Austenitische Typen wie A2 und A4 (316) weisen eine niedrige magnetische Permeabilität auf, wenn sie lösungsgeglüht werden, aber Kaltumformung beim Drücken, Walzen oder Bearbeiten erhöht die Permeabilität messbar. A4 behält bei Verformung eine geringere Permeabilität als A2. Wenn die Nähe zu Hall-Sensoren oder einem Batteriemanagementsystem von entscheidender Bedeutung ist, geben Sie A4 oder BUMAX an und überprüfen Sie die angegebene Durchlässigkeit auf dem Materialzertifikat.

F: Welches Material eignet sich am besten für Sammelschienenschrauben in einem EV-Batteriesatz?

A: Das hängt vom Gelenk ab. Edelstahl A4 eignet sich für korrosionsgefährdete Stellen mit mäßiger Stromdichte. Hochfester Stahl 12,9 mit Nickel- oder Zinnbeschichtung bietet die Vorspannung, die für Hochstromverbindungen erforderlich ist. Geben Sie die Beschichtung, die Oberflächenbeschaffenheit und den gewünschten Reibungskoeffizienten immer direkt in der Zeichnung an.

F: Wie halten Belleville-Unterlegscheiben die Kontaktkraft auch bei Temperaturwechseln aufrecht?

A: Belleville-Unterlegscheiben nach DIN 6796 speichern elastische Energie über ihren gesamten Arbeitsbereich. Wenn sich die Verbindung aufgrund thermischer Ausdehnung oder Vibration entspannt, gibt die Unterlegscheibe die gespeicherte Energie ab, um die axiale Vorspannkraft aufrechtzuerhalten. Parallele Stapel erhöhen die Haltekraft; Reihenstapel bieten zusätzlichen Federweg. Eine korrekte Vorspannung bei der Montage ist entscheidend für die Dauerhaftigkeit der Kontaktkraft an Sammelschienenverbindungen.

F: Wie verhindert man galvanische Korrosion zwischen Aluminium- und Kupfer-Sammelschienen?

A: Plattieren Sie die Kontaktflächen mit Zinn oder Nickel, um das galvanische Paar zu unterbrechen. Verwenden Sie bimetallische Übergangsverbindungen, in der Regel reibgeschweißte Aluminium-Kupfer-Bänder, bei denen eine direkte Schraubverbindung unvermeidlich ist. Isolieren Sie Verbindungselemente mit den Schulterscheiben aus Nylon 66 an der mechanischen Verbindung von unterschiedlichen Metallen. Kontrollieren Sie das Eindringen von Feuchtigkeit und Salz mit abgedichteten Gehäusen und mit EPDM verbundenen Dichtscheiben.

F: Warum werden Schulterscheiben aus Nylon 66 in Hochspannungsbatterien verwendet?

A: Schulterscheiben aus Nylon 66 isolieren einen Metallverschluss elektrisch von einer stromführenden Stromschienen-, Klemmen- oder Leiterplattenhalterung. Die Hülse unterbricht die Leiterbahn an der mechanischen Verbindung und verhindert so Kurzschlüsse an den HV-Anschlüssen und verringert das Risiko von Lichtbogenfehlern.

F: Sind Titanverschlüsse der Güteklasse 5 für EV-Batteriemodule geeignet?

A: Ja, für gewichtskritische Strukturanwendungen. Titan der Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V) bietet eine Zugfestigkeit von über 895 MPa bei etwa 40% der Dichte von Stahl, eine niedrige magnetische Signatur und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Da die Kosten höher sind als bei Edelstahl, wird Titan normalerweise für Akkumulatoren im Motorsport, Querträger und gewichtsempfindliche Elektrofahrzeuge verwendet und nicht für jede einzelne Modulschraube.