Busbars in der modernen Leistungselektronik: Thermische Optimierung durch schwarze Oberflächen

In der modernen Elektrotechnik, insbesondere im Bereich der Elektromobilität und der erneuerbaren Energien, fungieren Busbars als das zentrale Stromverteilsystem für die Energieverteilung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kabelverbindungen sind Busbars starre oder halbstarre Leiterbahnen, die speziell darauf ausgelegt sind, hohe Stromstärken effizient und platzsparend zwischen Batteriezellen, Wechselrichtern und anderen Hochvolt-Komponenten zu transportieren. Zum thermischen Management des Gesamtsystems tragen sie einen wichtigen Beitrag bei.

Aufbau und Materialbeschaffenheit

Der klassische Aufbau einer Busbar besteht aus einem hochleitfähigen Basismaterial, in der Regel Kupfer oder Aluminium. Kupfer wird aufgrund seiner exzellenten elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt, während Aluminium vermehrt dort zum Einsatz kommt, wo Gewichtsoptimierung und Kosteneffizienz im Vordergrund stehen. Um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen und den Übergangswiderstand an den Kontaktstellen zu minimieren, werden diese Metalle häufig mit Zinn, Nickel oder Silber beschichtet oder gleich Hybridmetalle aus entsprechenden Kombinationen verwendet.

Auch die Kriech- und Luftstrecken müssen streng nach den geltenden Normen für Hochvolt-Sicherheit ausgelegt sein, um Lichtbögen und Kurzschlüsse unter widrigen Umweltbedingungen wie Feuchtigkeit oder Verschmutzung sicher zu verhindern.

Laminierte Busbars unterscheiden sich von massiven Einzelleitern durch einen mehrlagigen, unter Hitze und Druck verpressten Aufbau, bei dem die Leiter durch dünne Isolationsfolien getrennt sind. Diese Konstruktion ermöglicht eine extrem enge Führung von Plus- und Minusleitern, wodurch sich deren Magnetfelder gegenseitig aufheben und die parasitäre Induktivität drastisch gesenkt wird. Diese Reduktion ist technisch essenziell, um gefährliche Spannungsspitzen bei schnellen Schaltvorgängen zu vermeiden, was besonders die Effizienz und Sicherheit moderner Hochvolt-Systeme mit Siliziumkarbid- (SiC) oder Galliumnitrid-Invertern (GaN) gewährleistet.

Technisch kritische Aspekte in der thermischen Auslegung

Bei der Dimensionierung von Busbars müssen Ingenieure eine Vielzahl physikalischer Parameter berücksichtigen, um die Betriebssicherheit und Langlebigkeit zu gewährleisten. Einer der kritischsten Faktoren ist die Stromtragfähigkeit im Verhältnis zur erlaubten Temperaturentwicklung. Da jeder Leiter einen elektrischen Widerstand aufweist, entsteht bei Stromfluss Joulesche Wärme. Die Querschnittsfläche der Busbar muss daher ausreichend sein, um die maximal erlaubte Betriebstemperatur der Isolation niemals zu überschreiten - ohne dass es zu Nachteilen durch ein zu hohes Gewicht kommt. Hierbei spielt auch die Oberflächenbeschaffenheit eine Rolle, da die infrarote Wärmeabstrahlung die passive Konvektion unterstützt.

Hersteller von Kühlkörpern kennen diesen Zusammenhang und bieten nicht nur Kühlkörper aus silbrig glänzendem Aluminium an, sondern auch dunkel eloxierte Kühlkörper. Diese Einfärbung kann die thermische Bilanz um bis zu 10-15% verbessern (bei aktiver Konvektion mit Lüfter schrumpft dieser Vorteil erheblich).

Der Einfluss des Emissionsgrads der Isolation

Viele technische Kunststoffe oder herkömmliche Isolationsmaterialien haben von Natur aus bereits einen relativ hohen Emissionsgrad (oft zwischen 0,8 und 0,9), unabhängig von ihrer visuellen Farbe im sichtbaren Spektrum. Dennoch bietet eine gezielte Einfärbung in Schwarz Vorteile:

• Optimierung der Wärmeabstrahlung: Eine tiefschwarze, matte Oberfläche maximiert den Emissionsgrad im infraroten Bereich. Dies verbessert die Fähigkeit der Busbar, Energie in Form von Wärmestrahlung an die kühlere Umgebung (z. B. das Gehäuse eines Batteriepacks) abzugeben.
• Kühlung in geschlossenen Systemen: In Umgebungen mit geringer Luftzirkulation (gekapstelte Hochvolt-Boxen), in denen die natürliche Konvektion eingeschränkt ist, gewinnt der Strahlungsanteil an Bedeutung. Hier kann eine schwarze Oberfläche die Gesamttemperatur der Schiene senken.

In der Praxis führt die Umstellung von einer hellen oder transparenten Isolation auf eine optimierte schwarze Oberfläche oft zu einer Reduktion der Oberflächentemperatur um etwa 3°C bis 7°C. Das klingt zunächst gering, kann in der Leistungselektronik entscheidend sein:

1. Lebensdauer: Eine geringere thermische Belastung verlängert die chemische Stabilität der Isolation.
2. Sicherheitsmarge: Es wird mehr Puffer bis zum Erreichen der Derating-Schwelle (Stromreduzierung zum Schutz vor Überhitzung) geschaffen.
3. Kompaktheit: In Grenzfällen erlaubt die bessere Wärmeabfuhr eine leicht höhere Stromdichte bei gleichem Querschnitt.

Die schwarze Ausführung von Oberflächen stellt eine kostengünstige und effektive Methode zur passiven thermischen Optimierung dar, die insbesondere bei hochintegrierten Systemen mit hoher Leistungsdichte als Standardverfahren etabliert ist. Gerade bei Anforderung nach hoher Spannungsfestigkeit, einer geringen Brennbarkeit nach UL 94-V0 und hervorragenden Sicherheitsreserven im Störfall kann z.B. Kapton® B oder Zenimid™ GCA als Isolationsmaterial verwendet werden.

® Gerald Friederici