Steckverbinder im Auto

Häufig von Teilnehmenden gestellte Fragen zum Thema ‚Steckverbinder im KFZ‘

Welche Rolle spielen Steckverbinder in modernen Kraftfahrzeugen und welche Funktionen erfüllen sie im Fahrzeug?

Im KFZ werden über Steckverbinder und Kabelbaum die elektrischen / elektronischen Komponenten miteinander zum Bordnetz verbunden. Ein Teil des Bordnetzes (Energiebordnetz) verbindet über Steckverbinder die verschiedenen Komponenten mit der Stromversorgung. Über das Kommunikationsbordnetz mit seinen Steckverbindern wird der Informationsaustausch zwischen den Komponenten realisiert, der für die Vielzahl von Steuer- und Regelprozessen im KFZ notwendig ist einschließlich der Assistenzsysteme für teil- und vollautonomen Fahrbetrieb. Die E-Mobilität erfordert zusätzlich Hochvolt-Steckverbinder für den Antrieb und Ladestecker für Batteriefahrzeuge im Bereich sehr hoher elektrischer Leistungen. Der Fahrbetrieb, die Fahrsicherheit und der Fahrkomfort KFZ ist anhängig von der Funktion des Bordnetzes und somit auch von der Funktion der Steckverbinder, zu gewährleisten über die Lebensdauer (PKW: 15a bzw. 8000 Betriebsstunden). Dass die Anforderungen nicht immer erfüllt wurden bzw. welche Folgen Steckverbinderausfälle nach sich ziehen, zeigt die Rückrufdatenbank des Kraftfahrt-Bundesamtes (KBA).

Mit den zunehmenden Anforderungen an Elektrifizierung und Elektronik im Automobilbereich: Wie haben sich Steckverbinder in den letzten Jahren weiterentwickelt, um diesen Anforderungen gerecht zu werden?

Folgende Trends sind erkennbar bei Steckverbindern im KFZ:

• Miniaturisierung, d.h. kleinere Kontakte und kleinere Kontaktrastermasse im Gehäuse
• Kontaktgröße und Leitungsquerschnitt bemessen nach dem max. Strombedarf des jeweiligen Pfades, so dass zunehmend Stvb. mit gemischter Bestückung zur Anwendung kommen. Problem: Kontakt und Leitung werden an der Belastungsgrenze betrieben
• Neue Kontakte und Gehäuse für hohe Vibrationsbelastungen
• Verwendung von Hochleistungslegierungen (CuNiSi) und Silberbeschichtung für Kontaktbuchsen von Stromversorgungskontakten, hohe Grenztemperatur
• Steckverbinder für die schnelle Datenübertragung
• Hochvolt – und Hochstromsysteme für E-Mobilität

Welche besonderen Herausforderungen ergeben sich bei der Konstruktion und Auswahl von Steckverbindern für den Einsatz im rauen Umfeld eines Fahrzeugs, wie z. B. Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und Vibrationen?

• Vibrationsanforderungen erfüllbar mit speziellen Kontaktkonstruktionen und speziellen Gehäusen. Beim Verbau sind Aspekte der Kabelverlegung und -befestigung zu beachten. Grundsätzlich ist zu vermeiden, dass es zu einer Relativbewegung der gesteckten Partner kommt, so dass es bei verzinnten Kontakten zur Widerstandserhöhung infolge Fretting kommt, bei versilberten oder vergoldeten Kontakten zunächst Schichtdurchrieb stattfindet und danach ebenfalls Fretting einsetzt, d.h. auch für edelmetallbeschichtete Kontakte ist die Relativbewegung einzuschränken.
• Die Anforderungen sind schwer erfüllbar für Hochstromkontakte aufgrund der Baugröße und ihrer großen schwingungsfähigen Masse und der großen Kabelmasse (großer Leiterquerschnitt). Das betrifft insbesondere HV-Kontakte.
• Mit abgedichteten Steckverbindern vermeidet man den Zutritt von Feuchtigkeit, Staub und Verunreinigungen. Außerdem sind abgedichtete Steckverbinder durch die vibrationsdämpfende Wirkung der Dichtelemente vibrationsstabiler als ungedichtete.
• Die von zyklischen Temperaturwechseln verursachten thermischen Längenänderungen dürfen ebenfalls nicht zu einer Relativbewegung der gesteckten Partner führen. Über den Kontaktaufbau, die Anordnung im Gehäuse und die Kabelfixierung ist o.g. Anforderung erfüllbar. Diesbezüglich haben die Kontakttypen für den Kabelbaum mit der Rastfunktion im Gehäuse deutliche Vorteile gegenüber den starr mit dem Gehäuse verbundenen Kontakten (umspritzt bzw. eingepresst).
• Die maximale Betriebstemperatur eines Kontaktes wird angegeben als Grenztemperatur, die mit dem elektrischen Stresstest abgeprüft wird. Sie ist die maximale zulässige Kontakttemperatur und ergibt sich aus der Umgebungstemperatur plus Stromerwärmung. Hieraus folgt, dass die zulässige stationäre Strombelastbarkeit eines Kontaktes von der Umgebungstemperatur abhängt – eine grundlegende Angabe, die als „Derating-Diagramme“ für Einzelkontakte und für Kontakte im vielpoligen Steckverbinder dokumentiert werden.
• Der Temperatureinfluss ist schädigend für die Kontaktfunktion und vielfach Ausfallursache, weil am kontaktkrafterzeugenden Federelement durch thermisch bedingte und vom Federwerkstoff abhängige Spannungsrelaxation ein Kontaktkraftabbau stattfindet, der mit wachsender Temperatur und Einwirkungszeit zunimmt. Hierdurch erhöht sich der Kontaktwiderstand und bei Stromfluss die Kontakttemperatur und verstärkt so den Relaxationseffekt. Der Temperatureinfluss ist insbesondere für das Langzeitverhalten wichtig, worauf Feldausfälle hinweisen.
• Bereits geringe Temperaturerhöhungen von T auf T+dT beschleunigen stark die Relaxation bzw. verkürzen drastisch die Einwirkungszeit t, nach der eine bestimmte Kontaktschädigung infolge Relaxation stattfindet, d.h. je höher die Kontakttemperatur, umso kürzer seine Lebensdauer, weil der Abbau der Kontaktkraft schließlich zum Ausfall führt. Qualitative Aussagen hierzu vermittelt der Larson-Miller-Parameter. Für ein Kontaktfederelement, gefertigt aus einer Cu-Legierung, bewirkt die Temperatur T nach einer Einwirkungszeit t die Relaxation P (Kontaktkraftverlust). Die gleiche Relaxation stellt sich bei T + 6 grd bereits nach der halben Einwirkungszeit (t/2) ein. d.h.: P (t, T) = P (t/2, T+6grd). Das Beispiel verdeutlicht, dass dem Temperatureinfluss besondere Aufmerksamkeit gelten muss.
• Für Kontakte, die im Energiebordnetz für die Stromversorgung dienen und dauerhaft mit dem maximal zulässigen Strom belastet werden, ist für die Langzeitbelastbarkeit (Lebensdauer) entscheidend, dass zur Festlegung der zulässigen Strombelastbarkeit die Umgebungstemperatur am Steckverbindereinbauort exakt ermittelt wird und auszuschließen ist, dass keine benachbarten Wärmequellen zur unkontrollierten Kontakterwärmung beitragen. Der Nachweis muss über Erwärmungsmessungen unter Betriebsbedingungen am finalen Bauteil geführt werden.
• Bei der Applikation insbesondere von Hochstromkontakten ist eine thermische Analyse mit dem Ziel, den Steckverbinder möglichst kühl zu halten, ratsam, denn sie trägt zur Verlängerung der thermischen Lebensdauer der Kontakte bei. Ausfallvermeidung ist für diese Applikationen zu priorisieren, denn ein Ausfall ist hier vielfach nicht nur auf den Steckverbinder beschränkt, sondern es treten in der Steckverbinderumgebung massive thermische Beschädigungen auf, was bei Signalkontakten nicht zu beobachten ist.

Welche Vorteile bieten Hochgeschwindigkeits-Steckverbinder in Bezug auf Datenübertragung und Kommunikation im Fahrzeug, insbesondere mit Blick auf Fahrerassistenzsysteme und autonomes Fahren?

Für autonomes Fahren und für den Fahrbetrieb mit Assistenzsystemen ist eine Informationsübertragung und Datenübertragung in Echtzeit erforderlich. Hierfür sind Steckverbinder für schnelle Datenübertragung erforderlich. Die bereits verfügbaren Koaxial-Ausführungen, geschirmt, 6GHz, 6Gbit/s, EMV werden für autonomes Fahren bezüglich der Übertragungsrate nicht genügen.

Wie tragen robuste und zuverlässige Steckverbinder dazu bei, die Sicherheit und die Gesamtleistung von Elektrofahrzeugen zu verbessern?

Robust gegenüber Temperatureinfluss und Vibration, um die kritischen Haupteinflüsse zu nennen.

Inwieweit spielen steckbare Batterieverbindungen eine Rolle bei der Entwicklung und dem Einsatz von Elektrofahrzeugen, und welche Herausforderungen müssen hierbei berücksichtigt werden?

Battterieverbindungen müssen in der Lage sein, die Strombelastungen im Fahrbetrieb und im Ladebetrieb zu bewältigen. Die hohen Strombelastungen im Ladebetrieb und die damit verbundenen Probleme für eine steckbare Verbindung sprechen nicht für diese Lösung.

Wie wichtig ist die Standardisierung von Steckverbindern im Automobilbereich, und welche Initiativen werden ergriffen, um die Interoperabilität und den Einsatz effizienter Steckverbindersysteme zu fördern?

• Die bisherige Standardisierung im Automobilbereich betrifft (nach meiner Kenntnis) nur Diagnosestecker und im Truck-Bereich die Steckverbindung für die Truck-Trailer Verbindung.
• Für die E-Mobilität ist die Standardisierung des Ladesteckers erforderlich. Für diese Aufgabe wirkt koordinierend der ZVEI.

Welche Auswirkungen haben moderne Steckverbinder auf die Fahrzeugarchitektur und den Fertigungsprozess in der Automobilindustrie?

• Wir gehen davon aus, dass sich an der bisherigen Situation nichts ändert– Fahrzeug und Fahrzeugfertigung geben die Anforderungen an den Steckverbinder vor, der Steckverbinderhersteller entwickelt auf der Basis dieser Anforderungen.
• Momentan ist nicht absehbar, dass das Verbindungskonzept „Kabel“ aufgegeben werden kann aufgrund der Lageverteilung der Sensoren und Aktuatoren im KFZ, für die in jedem Fall eine Busanbindung und Stromversorgung notwendig ist.
• Für die hauptsächlich benutzte Anschlusstechnik „Crimp“ ist momentan keine kostengünstigere und im Langzeitverhalten bewährte Anschlusstechnik verfügbar.

Gibt es spezifische Anforderungen an Steckverbinder für Elektrofahrzeuge im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsfahrzeugen, und wie werden diese Anforderungen erfüllt?

Hochvoltsteckverbinder mit besonderen Anforderungen (LV 215-1):

• Luft- und Kriechstrecken für 850V DC à 1000V DC
  Voreilender Signalkontakt (Interlock)
  EMV – geschirmt
  Berührungsschutz – Fingerschutz
  Strombelastbarkeit
  Klasse 1 bis 20A 4 mm²
  Klasse 2 bis 40A 6 mm²
  Klasse 3 bis 80A 16 mm²
  Klasse 4 bis 200A 50 mm²
  Klasse 5 bis 400A 120 mm²
• Ladestecker

Welche Auswirkungen haben neue Technologien wie die 5G-Kommunikation auf die Entwicklung und den Einsatz von Steckverbindern im Automotive-Bereich?

Hierfür sind automotive-taugliche HF-Steckverbinder notwendig; 5G: Trägerfrequenz 3,7-3,8 GHz -à 24,25 – 27,5GHz, Datenrate 20 Gbit/s 6G bereits in Sicht.

Wie sieht die Zukunft der Steckverbinder im Automobilbereich aus? Welche Trends und Entwicklungen sind zu erwarten?

Der Anteil von HF-Steckverbindern im KFZ wird deutlich zunehmen und somit auch der Prüfumfang von HF-Parametern, wie Impedanz, Dämpfung, Reflexion, Schirmung-EMV. 

Der Verarbeitungsprozess (Anschließen + Montieren) wird komplexer und problematischer für geschirmte Powerleitungen mit großen Drahtquerschnitten (120mm2) und für geschirmte Signalleitungen mit kleinen Drahtquerschnitten (0,13mm2), wobei diese Anteile durch Zunahme von E-Antrieben und von Assistenzsystemen für teil-vollautonomes Fahren wachsen.

Welche Ratschläge würden Sie Automobilherstellern und Entwicklern geben, um die bestmöglichen Steckverbinder für zukünftige Fahrzeugmodelle auszuwählen und einzusetzen?

Aus den Fehlern der Vergangenheit lernen.