Bayerisches Laserzentrum BLZ Laserschweißen sichert die Zukunft der Mobilität

Autor / Redakteur: Vincent Mann / Peter Königsreuther

Der Individualverkehr verändert seinen Charakter, weil Ressourcen geschont werden sollen. Benzin- und Dieselmotoren könnten also bald passé sein. Auf Hybridsysteme etwa fokussieren sich nun die Entwickler, denen der Laser dabei ein echter Problemlöser ist.

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Eine lasergeschweißte Nahtstelle an einem Massivdrahtstab-Paar. Das Konzept hilft bei der Implementierung des 48 V-Motors für verschiedene Fahrzeugklassen und somit bei der breiteren Durchsetzung der Elektromobilität.
Eine lasergeschweißte Nahtstelle an einem Massivdrahtstab-Paar. Das Konzept hilft bei der Implementierung des 48 V-Motors für verschiedene Fahrzeugklassen und somit bei der breiteren Durchsetzung der Elektromobilität.
(Bild: blz)

Aktuell befinden sich die Grundlagen unserer Mobilität im Wandel. So führen beispielsweise steigende Treibstoffkosten wie auch strengere Vorgaben für Abgasgrenzwerte die bisher verwendeten Verbrennungsmotoren an ihre Grenzen. Gleichzeitig existieren jedoch auch bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen offene technische und wirtschaftliche Problemstellungen, wie lange Ladezeiten, geringe Reichweiten und nicht zuletzt die Preissteigerung des für die Energiespeicher genutzten Lithiums, die eine massenhafte und unmittelbare Verdrängung des Verbrennungsmotors aus den Fahrzeugen aktuell unrealistisch erscheinen lassen. Aus diesem Grund setzen die Hersteller in zunehmendem Maße auf die Verwendung von Hybridantrieben, die sich prinzipiell in zwei Gruppen unterteilen lassen.

Zwei hybride Alternativen

In die erste Gruppe fallen die sogenannten Vollhybriden, die ein Fahren ausschließlich mit dem Verbrennungsmotor oder dem elektrischen Motor ermöglichen. In diesen Fahrzeugen nehmen der Energiespeicher und der Elektromotor einen wesentlichen Teil der Fahrzeugmasse und des Bauraums ein. Aufgrund der hohen zu übertragenden elektrischen Leistungen werden bei Vollhybriden aktuell Betriebsspannungen zwischen 300 und 400 V verwendet, welche nicht mit der Bordnetzspannung von 12 V kompatibel sind.

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Die zweite Gruppe umfasst die sogenannten Mildhybriden, welche das Fahrzeug nicht rein elektrisch antreiben können. Diese unterstützen den Verbrennungsmotor beim Anfahren und Beschleunigen und besitzen üblicherweise eine geringere Leistung als Vollhybride. Dadurch benötigen diese Antriebe weniger Bauraum und einen deutlich kleineren Energiespeicher, sind jedoch in der Lage, wie auch die Vollhybriden, während des Bremsvorganges Energie durch Rekuperation zurückzugewinnen. Durch diese Eigenschaften sind Mildhybriden besonders geeignet, um die Effizienz von Verbrennungsmotoren weiter zu steigern und stellen somit einen wichtigen Baustein für den Übergang von fossilen Energieträgern zum rein elektrischen Fahren dar.

Continental setzt auf 48-Volt-Technik

Als führendes Technologieunternehmen hat Continental das Potenzial der Mildhybridtechnik erkannt und an den Standorten Nürnberg, Regensburg und Berlin den in Bild 2 gezeigten Antrieb entwickelt, der sich vor allem durch eine kompakte Größe und eine niedrige Betriebsspannung von 48 V auszeichnet. So gelingt die einfache Integration des 48 V-Motors als Startergenerator, der über einen Riementrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist. Zudem erlaubt ein integrierter Spannungswandler die Interaktion des Systems mit den Verbrauchern unter niedrigerer Bordspannung.

Durch das Konzept des Systems gewährleistet Continental bereits die einfache Adaption der Systemleistung für diverse Fahrzeuge aus der Kompakt- und Mittelklasse. Nun kann die elektrische Leistung des 48 V-Motors zukünftig durch eine Variation der Länge des Stators von bisher 6 kW auch auf höhere Werte gesteigert werden. Ermöglicht wird dies durch den modularen Aufbau des Systems. Neuartige Fertigungsverfahren, die in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IISB und dem Bayerischen Laserzentrum in Erlangen mit Unterstützung durch die Förderung des Projektträgers entwickelt wurden, ermöglichen eine hohe Leistungsdichte und die einfache Adaption der Technik auf verschiedene Statorlängen. Dabei wird der Stator mithilfe einer vom Fraunhofer-Institut erarbeiteten Technik in das Gehäuse eingeschrumpft, wodurch die Verbindung auch bei den hohen Betriebsdrehmomenten sicher hält.

Die Aufgabe des Bayerischen Laserzentrums war die Entwicklung eines innovativen Fügeprozesses zur Kontaktierung der Kupferleiter am Wickelkopf. Dieser war notwendig, weil die Statorwicklung des 48 V-Motors im Gegensatz zu konventionell gefertigten Elektromotoren nicht durch einen Wickelprozess hergestellt wird, sondern über 100 Massivdrahtstab-Paare das Konzept bestimmen, die in das Blechpaket des Stators eingeschoben und anschließend gegeneinander verdreht werden, um somit die Voraussetzung für je einen geschlossenen Stromkreis für alle drei Phasen des Motors zu erfüllen und das notwendige Drehfeld erzeugen zu können. Im Anschluss erfolgt die elektrische Kontaktierung der Enden der Massivdrahtstäbe auf beiden Seiten des Statorpaketes durch den am Bayerischen Laserzentrum entwickelten Laserstrahl-Schweißprozess, um die drei Stromkreise zu schließen.

Anwendungsspezifische Verbesserungen

Um dabei den geforderten Anbindungsquerschnitt zu erreichen, wird die Schweißzone unter Anwendung einer Strahlpendelung mehrmals überfahren. Bild 1 zeigt eine exemplarische Laserschweißnaht an einem Massivdrahtstab-Paar. Dieses neuartige Aufbaukonzept ermöglicht die Adaption der Motorleistung durch die Variation der Länge der Massivdrahtstäbe und des Blechpaketes des Stators auf einfache Art, wodurch der 48 V-Motor schnell und unkompliziert für Fahrzeugklassen und -varianten verschiedener Hersteller angepasst werden kann.

Außer der Entwicklung der Schweißstrategie war im Rahmen des vom Projektträger Bayern geförderten Forschungsvorhabens zu ermitteln, mithilfe welcher Strahlquelle den spezifischen Werkstoffeigenschaften von Kupfer, wie beispielsweise der hohen Wärmeleitfähigkeit, begegnet werden kann, um einen stabilen Schweißprozess innerhalb der Solltaktzeit zu erreichen. Außer der Ermittlung des Einflusses von Einspannbedingungen, Schutzgasatmosphären sowie Schweißstrategien auf Schweißprozess und -ergebnis standen vor allem die entstehenden Schweißfehler, wie etwa Schweißspritzer, dabei im Fokus.

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Der Prozess wurde deshalb unter anderem mit zwei synchron laufenden Hochgeschwindigkeitskameras beobachtet, was die Erkennung der Ursachen von Nahtdefekten und die Rekonstruktion der Flugbahnen der Schweißspritzer ermöglicht (Bild 3). Die besten Ergebnisse konnten dabei mit einem Scheibenlaser in Kombination mit einer Scanneroptik erzielt werden. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurden dann auf die Anwendung hin abgestimmte Maßnahmen abgeleitet, um benachbarte elektronische Bauteile vor Beschädigungen durch Schweißspritzer zu schützen und die Prozesssicherheit des Schweißens zu erhöhen.

Weg zur optimalen Schweißnaht

Eine begleitende Auswertung der erzielten Schweißnahtqualitäten durch metallografische Untersuchungen ermöglichte darüber hinaus die Detektion innerer Schweißnahtfehler, wie beispielsweise Poren. So konnte eine Prozessstrategie entwickelt werden, mit deren Hilfe Schweißnähte mit anforderungsgerechter statischer und dynamischer Festigkeit sowie einem ausreichenden stromtragfähigen Querschnitt gefertigt werden können. Die gute gemeinsame Zusammenarbeit und Abstimmung der Projektpartner erlaubte es schließlich, die Neuerungen im Herstellungsprozess des 48 V-Motors in sehr kurzer Zeit zu entwickeln und zur Serienreife zu bringen, sodass die Zeitspanne vom ersten Produktkonzept bis zum Serienstart auf lediglich drei Jahre verkürzt wurde.

Kraftstoffverbrauch minimiert

Seit 2016 produziert Continental die 48 V-Motoren am Standort Nürnberg unter Anwendung der entwickelten Fügetechnik in Serie. Mit der aktuellen Anlagenkapazität können nun 200.000 Fahrzeuge im Jahr mit dem Mildhybridantrieb ausgestattet werden. Als erster OEM rüstet Renault seine Modelle Scénic und Grand Scénic in jeweils einer Dieselvariante mit den 48 V-Motoren aus. Im Neuen Europäischen Fahrzyklus wird der Kraftstoffverbrauch durch die Mildhybridtechnik um 13 % gesenkt. Im Stadtverkehr kann dieser Effekt durch den höheren Anteil an Rekuperationsphasen (Bremsenergie-Rückgewinnung) auf 21 % gesteigert werden. Weitere Kraftstoffeinsparungen will Continental zukünftig mit einer noch weiter in die Fahrzeugstruktur integrierten Variante des 48 V-Motors erreichen. Dieser wird zwischen Motor und Getriebe verbaut und soll dann in der Lage sein, das Fahrzeug über eine kurze Dauer auf bis zu 50 km/h zu beschleunigen. MM

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