Zuverlässige Anschlüsse für elektrische Kompressoren von Klimaanlagen in Elektrofahrzeugen
Der Trend zur Elektromobilität führt dazu, dass Kompressoren von Klimaanlagen zunehmend elektrisch betrieben werden. Dabei unterscheiden sich die Betriebsspannungen und damit die Anforderungen an die Anschluss-Terminals für die Versorgung erheblich. SCHOTT hat sowohl für Hochspannung als auch für die Versorgung mit 48 Volt optimale e-Kompressor Durchführungen entwickelt. Kupferleiter für Hochstrom und eine zusätzliche Isolation durch ein spezielles synthetisches Elastomer für Hochspannungsanwendungen sind einzigartig.
Klimaanlagen gehören heute zur Standardausstattung von Autos. Selbst in Europa mit seinen sehr unterschiedlichen Klimazonen liegt der Anteil der Fahrzeuge, die mit Klimaanlagen vom Band laufen, bei rund 92 Prozent, in den USA sogar bei nahezu 100 Prozent. Auch in Indien erwarten Experten hohe Zuwachsraten.
Beitrag zum optimalen Fahrerlebnis
Die Klimaanlage trägt nicht nur zum Komfort bei. Studien haben gezeigt, dass die Verkehrssicherheit stark gefährdet ist, wenn der Fahrer Temperaturen jenseits der 30-Grad-Marke erleidet. Klimaanlagen schützen die Insassen zudem vor bestimmten Luftverunreinigungen, da Stoffe wie Staub zusammen mit der Luftfeuchtigkeit entfernt werden.
Die Elektromobilität stellt die Klimatisierung vor neue Herausforderungen. Ein Grund dafür ist, dass in bestimmten Situationen auch die Lithium-Ionen-Batterien, mit denen die Fahrzeuge betrieben werden, gekühlt werden müssen, da hohe Temperaturen die Lebensdauer dieser Batterien verkürzen. Bei einer Temperatur zwischen 15 und 35 Grad Celsius arbeiten sie mit ihrer maximalen Effizienz. Oberhalb dieser Temperatur beschleunigt sich der Alterungsprozess. Für die Senkung der Betriebstemperatur sind mehrere technologische Ansätze gebräuchlich. Die üblichste Form der sogenannten Batteriekonditionierung ist die Nutzung der ohnehin vorhandenen Klimaanlage. Deren Kältequelle ist üblicherweise ein Kompressor.
Hochspannung und 48 Volt
Bei einem rein elektrischen Fahrzeug muss der Kompressor auch elektrisch betrieben werden. Gleiches gilt natürlich auch für Hybridfahrzeuge, um auch weite Strecken elektrisch zurücklegen zu können. Ansonsten wäre die Klimatisierung des Innenraums und die Konditionierung der Antriebsbatterie in diesem Betriebsmodus nicht mehr gewährleistet. Aktuell (2020) sind bereits sieben Prozent der weltweit ausgelieferten Neufahrzeuge mit einem e-Kompressor ausgestattet. Die meisten verfügen über eine Hochspannungsversorgung. 48-Volt-Systeme sind nach wie vor selten, gewinnen aber immer mehr an Bedeutung. In beiden Fällen ist der Antriebsmotor in den Kompressor integriert. Im Gegensatz dazu treibt bei konventionellen Fahrzeugen der Verbrennungsmotor den Kompressor über einen Riemen an. Bei einem elektrischen Kompressor muss die Energie direkt in das Gehäuse eingespeist werden. Dies wird durch entsprechende Durchführungen erreicht. Sie sind wichtige Komponenten, für die SCHOTT der führende Zulieferer ist.
Anforderungen an die Isolierung
Bei Hochspannung liegt die aus der Antriebsbatterie zur Verfügung stehende Betriebsspannung immer über 200, oft über 500 Volt. Einige OEMs setzen sogar rund 800 Volt ein. Diese Hochspannungen stellen sehr hohe Anforderungen an die elektrische Isolierung. Die Durchführungs-Terminals stellen eine besondere Herausforderung für die Automobilindustrie und ihre Zulieferer dar. Hochspannung war lange Zeit nicht in der DNA dieser Branche verwurzelt. „SCHOTT aber kann bei der Abdichtung von Metall zu Glas auf Erfahrungen aus über 80 Jahren verweisen“, sagt Akira Fujioka, R&D Manager des Unternehmens. „Solche Komponenten für stationäre Klimaanlagen oder in Kühlschränken produzieren wir bereits seit über 60 Jahren“, ergänzt er.
Die Bedingungen in Straßenfahrzeugen sind extrem. Die Erfüllung der üblichen Anforderungen dieser Branche in Bezug auf Umwelteinflüsse, Vibrationen und starke Temperaturschwankungen ist eine große Herausforderung. Dazu kommen die Bedingungen im Kompressor selbst. Das Terminal muss den unterschiedlichen Kältemitteln wie R134a, R1234yf oder R744 (CO₂) standhalten. Kohlendioxid stellt mit bis zu 200 Bar (20 Megapascal) Betriebsdruck die höchsten Anforderungen. Auch der hohen Spannung muss die Isolierung widerstehen. Besonders kritisch sind dabei Kriechstrecken. Zur Optimierung des Designs setzt SCHOTT mehrere hochwertige Werkstoffe ein, unter anderem Glas. Dieses fungiert als elektrischer Isolator und trennt die metallischen Kontakt-Pins von der Trägerplatte. Glas ist eine Kernkompetenz von SCHOTT. Seit 140 Jahren ist das Unternehmen für hochwertige Spezialgläser bekannt. Darüber hinaus verfügt das Unternehmen über eine hohe Kompetenz bei der Verbindung von Glas mit Metall.
Synthetik-Elastomer als zusätzlicher Schutz
Es gibt ein weiteres Material, das die e-Kompressor-Terminals von SCHOTT einzigartig macht: Die zusätzlichen Komponenten aus einem Elastomer. Während Glas für die eigentliche mechanische Verbindung zuständig ist, verhindern die Teile aus synthetischem Gummi eine Kondensation, die ansonsten die Kriechstrecke verkürzen und den elektrischen Überschlag begünstigen würde. Das Elastomer widersteht selbstverständlich den unterschiedlichen Schmierölen für Kompressoren wie PAG und POE. SCHOTT verwendet unterschiedliche Dichtungsmaterialien an der Innen- und Außenseite. „Unsere Ingenieure haben in aufwendigen Versuchsreihen die optimale Kombination gefunden“, beschreibt Akira Fujioka. Die elastischen Schutzkomponenten machen die Anschlüsse zuverlässiger und langlebiger. Höchste Qualitätsstandards gelten auch für die Trägerplatten. Sie müssen sehr flach und glatt sein, damit auch sie dicht am Kompressorgehäuse anliegen.
Elektro- und Hybridfahrzeuge verfügen über batteriebetriebene Kompressoren.
Die Herausforderung von hohen Strömen
Kompressoren für 48 Volt stellen andere Anforderungen als Modelle, die für höhere Spannungen ausgelegt sind. Bei neuen Fahrzeugentwicklungen und besonders bei alternativen elektrischen Konzepten spielt die Stromversorgung aus einem 48-Volt-System bereits heute eine wichtige Rolle für die Elektrifizierung von Fahrzeugen. Es sind bereits Autos in Entwicklung, die Strecken bis zu 30 Kilometer mit dieser niedrigen Spannung fahren können. Aber auch hier sind der elektrische Anschluss des Kompressors und damit die Durchführungen kritisch, diesmal allerdings aus anderen Gründen als bei einer Hochspannungsverbindung. Die Anforderungen an die Isolierung und die Kriechstrecken sind nicht so groß wie die an die Übertragung hoher Ströme. Klima-Kompressoren benötigen nämlich eine Leistung von über zwei Kilowatt. Das entspricht bei 48 Volt Strömen zwischen 100 und 150 Ampere. Entsprechend groß muss der Querschnitt der Terminals für die Stromversorung sein.
Kupfer als besserer Leiter
SCHOTT hat für diese Anforderung ein einzigartiges Produkt im Portfolio. Die Leiter bestehen vollständig aus Kupfer, das eine ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweist. Bei üblichen Durchführungen für Kompressoren kommt dagegen ein Leiter aus Edelstahl zum Einsatz. Der Grund dafür ist, dass der Ausdehnungskoeffizient dieses Materials und seine Härte mit denen von Glas vergleichbar sind. Jedoch hat es eine schlechtere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer, das sich wiederum ungünstiger ausdehnt. Hier setzt die patentierte Innovation von SCHOTT an. Sie gleicht die Unterschiede in der Ausdehnung zwischen Kupferleitern und Glasisolatoren aus. Die bessere Leitfähigkeit von Kupfer ermöglicht kleinere Querschnitte und damit auch kompaktere Anschlüsse.
SCHOTT beliefert mit seinen elektrischen Durchführungen bereits einige der größten Hersteller von elektrischen Kompressoren. Das Portfolio des Unternehmens umfasst sowohl standardisierte als auch kundenspezifische Ausführungen.
e-Kompressor Durchführung mit Gummi und Keramik
