Reduzierte elektrische Kontaktwiderstände auf Basis definiert ausgelegter Oberflächentopografien

Herausforderung

Die Übertragung hoher elektrischer Leistungen ist eine Kernherausforderung im Rahmen der Umsetzung der Energiewende. Auf diese Weise lassen sich bspw. Ladezeiten von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen reduzieren, um deren Praktikabilität und damit die Akzeptanz in einem breiten Nutzerspektrum signifikant zu erhöhen. Derzeit eingesetzte manuell geführte Stecker-Buchse-Kontaktierungen sind durch die erforderliche niedrige Bedienkraft (geringe Flächenpressung bewirkt hohen Kontaktwiderstand und hohe thermische Belastung) begrenzt. Demgegenüber bietet eine Stirnkontaktierung bis zu 20-fach höhere Flächenpressungen und damit das Potenzial für wesentlich höhere übertragbare elektrische Leistungen durch eine reduzierte Wärmeentwicklung und eine höhere thermische Stabilität.

Lösung

Vor diesem Hintergrund ist die Entwicklung einer neuartigen Stirnkontaktierung für die elektrische Energieübertragung im Megawatt-Bereich gefragt. Dies wird durch definierte, reproduzierbare und langzeitstabile Kontaktbedingungen, Verschleiß- und Kontaktkorrosionsschutz sowie intelligenten Hot-Spot-Wärmemanagement erreicht. 

Im Rahmen dieser Entwicklung ist die Geometrie und Topografie der Kontaktoberflächen – als Schnittstelle zwischen den elektrischen Bauteilen – ein zentraler Punkt. Für eine ganzheitliche Betrachtung erfolgen hierzu eine simulationsbasierte mechanische sowie elektrische Auslegung und die Entwicklung serienfähiger Strukturierungsverfahren der Kontaktoberflächen. Die auf eine hohe Stromtragfähigkeit optimierten Stirnkontakte werden an einem dafür konzipierten Prüfstand automatisiert über mehr als 10.000 Kontaktzyklen mit einem Strom von bis zu 600A DC beaufschlagt, bei gleichzeitiger Erfassung des Übergangswiderstandes und der Temperatur der Kontaktelemente für jeden Kontaktierungszyklus. Darüber hinaus münden die Erkenntnisse in einen gemeinsam mit den Fraunhofer-Projektpartnern gebauten anwendungsnahen, verschleißbeständigen Stirnkontakt-Fahrzeug-Demonstrator mit integrierter Temperaturmessung. Dieser ermöglicht die Stromübertragung bis 3.000 A und 1.500 V.

Die am Fraunhofer IWU aufgebaute Auslegungs-, Fertigungs- und Prüfmethodik für elektrische Kontakte erlaubt die Übertragung des gewonnenen Know-hows auf weitere Anwendungsfelder, bei denen dauerhaft definierte Kontaktbedingungen und eine hohe Stromtragfähigkeit einen Mehrwert generieren können.