Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Sensorische Hochstrom-Kontaktpartner mit sechs Dünnschichtsensoren zur Temperaturmessung.
Neuartige Stirnkontaktierungen zur Energieübertragung extrem hoher Leistungen
Aus der Forschung
In Hochstromanwendungen wie der E-Mobilität ist eine Temperaturüberwachung gesetzlich vorgeschrieben, um Schäden durch Übertemperatur und fehlerhaftes Verhalten während des Ladevorgangs zu vermeiden. Gleichzeitig ist es notwendig, die Kontaktoberflächen gezielt zu modifizieren und zu beschichten, um Übergangswiderstände zu minimieren und extrem hohe Leistungen zu übertragen. Das Fraunhofer IST hat in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IVI und dem Fraunhofer IWU einen Dünnschicht-Temperatursensor sowie optimierte Oberflächenvorbehandlungen und angepasste PVD Beschichtungssysteme für elektrische Hochstrom-Kontakte entwickelt, die speziell für den Einsatz in Ladesteckern bei extrem hohen Leistungen konzipiert sind.
Hochspannungsfeste Dünnschichtsensoren auf elektrischen Kontaktpartnern
Um eine zuverlässige Temperaturmessung an den Hochstrom-Kontaktstellen zu ermöglichen, wurde ein Dünnschicht-Sensorsystem entwickelt. Dieses wurde direkt auf einen Hochstrom-Kontaktpartner aus Elektrokupfer abgeschieden. Auf der elektrisch isolierenden Grundschicht, die eine hohe Durchschlagspannungsfestigkeit aufweist, wurde eine dünne Sensorschicht abgeschieden. Auf dem Kontaktpartner wurden sechs mikrostrukturierte Sensoren positioniert: drei in unmittelbarer Nähe und drei in definierter Distanz zu den Kontaktstellen. Diese Anordnung der Sensoren ermöglicht eine hochauflösende Temperaturmessung. Abschließend wurde eine Deckschicht aufgebracht, die sowohl dem Verschleißschutz als auch der elektrischen Isolation dient.
PVD-Schichtsysteme für elektrische Kontakte und optimierte Kontaktoberflächen
Die wieder lösbaren Kontaktpartner in Hochstromübertragungsanwendungen müssen eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit mit hoher Verschleißfestigkeit kombinieren. Außerdem ist eine hohe Oberflächengüte für eine definierte Kontaktierung vorteilhaft. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde eine Behandlungsabfolge aus spezieller Oberflächenglättung und einem angepassten PVD-Beschichtungsschichtsystem entwickelt. Eine Anbindungsschicht ermöglicht eine optimale Haftung der Funktionsschicht auf dem Kontaktbauteil aus Kupfermaterial. Das mechanisch angepasste Kontaktschichtsystem sorgt für eine Minimierung des Kontaktwiderstands und somit für eine minimale Temperaturentwicklung im elektrischen Hochstrom-Stirnkontakt.
Ladesystem für die E-Mobilität basierend auf einer neuartigen Stirnkontaktierung.
Behandelte und PVD-beschichtete Cu-Kontakte.
a) Schema eines Dünnschicht Sensorsystems
b) Schema eines PVD-Schichtsystems für elektrische Hochstromkontakte
Ergebnisse und Ausblick
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Dünnschichtsensorik eine präzise Temperaturmessung in unmittelbarer Nähe der elektrischen Kontaktpunkte ermöglicht und dass somit eine Zustandsüberwachung des Ladesteckers mithilfe dieser Sensoren realisierbar ist. Zudem weisen die behandelten und beschichteten Kontaktbauteile auch nach mehr als tausend Kontaktzyklen im Hochstromkontakt einen geringen Kontaktwiderstand auf. Zukünftig sollen die Sensoren und Kontakt-Beschichtungssysteme im entwickelten MCS-Ladestecker unter realen Bedingungen erprobt werden, um deren Leistungspotenzial zu validieren. Darüber hinaus wird der Transfer dieser Entwicklungen auf ähnliche Anwendungen wie CCS-Ladestecker und weitere Hochstrom-Elektroanwendungen angestrebt.
Das Projekt
Diese Entwicklungen wurden innerhalb des PREPARE-Projekts »Neuartige Stirnkontaktierungen zur Energieübertragung extrem hoher Leistungen« im Rahmen der internen Programme der Fraunhofer-Gesellschaft gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU erzielt.