Zuverlässige Anschlüsse für elektrische Kompressoren

Optimale Abdichtung in Hochspannungsanwendungen und 48-Volt-Systemen sorgen für eine zuverlässige Stromzuführung zu elektrischen Kompressoren.

Optimale Abdichtung in Hochspannungsanwendungen und 48-Volt-Systemen sorgen für eine zuverlässige Stromzuführung zu elektrischen Kompressoren.

Der Trend zur Elektromobilität bringt es mit sich, 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 die Versorgung mit 48 Volt optimale e Kompressor-Durchführungen entwickelt. Einzigartig sind Kupferleiter für die Niederspannung und die zusätzliche elektrische Isolierung mittels eines speziellen synthetischen Elastomers bei Hochvolt-Anwendungen.

Eine Klimaanlage gehört heute vor allem in warmen Ländern zur Standardausrüstung von Automobilen. Selbst in Europa mit seinen sehr unterschiedlichen Klimazonen liegt der Anteil in den aktuell produzierten Fahrzeugen bei rund 92 Prozent und in den USA ist er praktisch als komplett anzusehen. Experten erwarten beispielsweise hohe Zuwachsraten in Indien.

Nicht nur der Komfort spielt eine große Rolle. Studien haben bewiesen, dass die Verkehrssicherheit stark gefährdet ist, wenn der Fahrer unter Temperaturen jenseits der 30-Grad-Marke leidet. Klimaanlagen halten zudem bestimmte Luftverunreinigungen von den Insassen fern. Stoffe wie Staub werden zusammen mit der Luftfeuchtigkeit entfernt.

Die Elektromobilität stellt die Klimatisierung vor neue, zusätzliche Herausforderungen. Eine liegt darin, dass in Fahrzeugen mit Antriebsbatterien in bestimmten Situationen auch diese gekühlt werden müssen. Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien leidet nämlich unter höheren Temperaturen. Günstige Bedingungen herrschen für diesen Energiespeicher zwischen 15 und 35 Grad Celsius. Oberhalb der Temperaturschwelle beschleunigt sich der Alterungsprozess. Für die Senkung der Betriebstemperatur sind mehrere technologische Ansätze gebräuchlich. Die üblichste Form der so genannten Konditionierung ist jedoch die Nutzung der ohnehin vorhandenen Klimaanlage. Deren Kältequelle ist üblicherweise ein Kompressor.

Elektro- und Hybridfahrzeuge verfügen über batteriebetriebene Kompressoren.
Standard Designs von SCHOTT® e-Kompressor Durchführungen.

Hochspannung und 48 Volt

In einem reinen Elektrofahrzeug muss der Kompressor auch elektrisch betrieben werden. Ähnliches gilt natürlich auch für Hybridfahrzeugen, so sie weite Strecken elektrisch zurücklegen können. Sonst wäre ja die Klimatisierung des Innenraums und die Konditionierung der Antriebsbatterie in diesem Betriebszustand nicht mehr gewährleistet. Aktuell (2020) sind bereits sieben Prozent der weltweit ausgelieferten Neufahrzeuge mit einem e Kompressor ausgerüstet. Es dominiert dabei die Versorgung mit Hochspannung. 48-Volt-Systeme sind noch selten, gewinnen aber an Bedeutung. In beiden Fällen ist der Antriebsmotor in den Kompressor integriert. Im Unterschied dazu treibt in konventionellen Fahrzeugen der Verbrennungsmotor den Kompressor über einen Antriebsriemen an. Die Energie muss einem elektrischen Kompressor also direkt in das Gehäuse zugeführt werden. Das geschieht über entsprechende Stromdurchführungen. Und die sind ein kritisches Bauteil, für das SCHOTT der führende Zulieferer ist.

Ansprüche an die Isolierung

Bei Hochspannung liegt die aus der Antriebsbatterie zur Verfügung stehende Betriebsspannung in jedem Fall über 200 Volt, oft über 500. Einzelne OEMs setzen sogar rund 800 Volt ein. Diese Hochspannungen stellen sehr hohe Anforderungen an die elektrische Isolation. Die Durchführungs-Terminals sind für die Fahrzeugindustrie und ihren Zulieferern eine besondere Herausforderung. 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 Teile 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 der Branche gegenüber Umwelteinflüssen, Vibrationen und starken Temperaturschwankungen sind hoch. Dazu kommen die Bedingungen im Kompressor selbst. Das Terminal muss den unterschiedlichen Kältemitteln wie R134a, R1234yf oder R744 (CO₂) widerstehen. Kohlendioxid stellt mit bis zu 200 Bar (20 Megapascal) Betriebsdruck die höchsten Anforderungen. Auch der hohen Spannung hat die Isolierung Rechnung zu tragen. Besonders kritisch sind dabei Kriechstrecken. Zur Optimierung setzt SCHOTT mehrere hochwertige Werkstoffe ein, unter anderem Glas. Dieses fungiert als elektrischer Isolator und trennt die Kontakt-Pins aus Metall der Anschlüsse von der Trägerplatte. Glas ist eine Kernkompetenz von SCHOTT. Seit 130 Jahren ist das Unternehmen bekannt für hochwertige Spezialgläser. Produkte wie das berühmte Jenaer Glas sind von SCHOTT. Auch bei der Verbindung von Glas mit Metall verfügt das Unternehmen über hohe Kompetenz.

Zusätzlicher Schutz aus Synthetik-Elastomer

Ein weiteres Material macht die e Kompressor-Terminals von SCHOTT einzigartig. Es sind dies zusätzliche Komponenten aus einem Elastomer. Während für die eigentliche mechanische Verbindung Glas zuständig sind, vermeiden die Teile aus dem mitunter auch als synthetisches Gummi bezeichneten Material eine Kondensation von Luftfeuchtigkeit, die ansonsten die Kriechstrecke verschlechtern und elektrischen Überschlag fördern 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 Qualitätsansprüche gelten auch für die Trägerplatten. Sie müssen sehr plan und glatt sein, damit auch sie dicht gegen das Kompressorgehäuse sitzen.

Querschnitt einer SCHOTT® e-Kompressor Durchführung für hohe Spannungen.
Querschnitt einer SCHOTT® e-Kompressor Durchführung mit innen- und außenliegenden Elastomer-Isolatoren.

Herausforderung hohe Ströme

Kompressoren für 48 Volt stellen andere Anforderungen als die Modelle für höhere Spannungen. Vor allem bei neuen Fahrzeugentwicklungen und alternativen elektrischen Konzepten spielt die Versorgung aus einem Bordnetz mit 48 Volt bereits heute eine wichtige Rolle bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen. Es sind bereits Autos in Entwicklung, die Strecken bis zu 30 Kilometer mit dieser niedrigen Spannung fahren können. Der elektrische Anschluss des Kompressors und damit die Durchführungen sind jedoch wieder kritisch, aber diesmal aus anderen Gründen als bei einer Hochspannungs-Verbindung. Die Ansprüche an Isolation und Kriechstrecken treten gegenüber der zur Übertragung hoher Ströme zurück. 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 Zuführung sein.

Kupfer als besserer Leiter

SCHOTT hat dafür ein einzigartiges Produkt im Portfolio. Die Leiter bestehen voll aus Kupfer, das eine hervorragende Leitfähigkeit hat. Bei üblichen Durchführungen für Kompressoren kommt dagegen ein Leiter aus Edelstahl zum Einsatz. Der Grund ist, dass der Ausdehnungskoeffizient dieses Materials und seine Härte mit Glas vergleichbar sind. Jedoch hat es eine schlechtere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer, das sich wiederum ungünstiger ausdehnt. Hier setzt eine patentierte Innovation von SCHOTT an, welche die Unterschiede in der Ausdehnung zwischen Kupferleiter und Glasisolator ausgleicht. Die bessere Leitfähigkeit von Kupfer ermöglicht kleinere Querschnitte und damit auch kompaktere Anschlüsse.

SCHOTT beliefert bereits einige der größten Hersteller von elektrischen Kompressoren mit seinen elektrischen Durchführungen. Im Portfolio hat das Unternehmen sowohl standardisierte Ausführungen als auch maßgeschneiderte Teile.

31. August 2020

Mark Stronczek
Electronic Packaging
SCHOTT AG

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