Was ist neu in der Kabelbaumprüftechnologie?

Anwendungen in Elektrofahrzeugen erfordern höhere Prüfspannungen als bisher erforderlich. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Huber+Suhner

Dieser Einstiegstester bietet grundlegende Durchgangsmessungen in kleinen Kabelbäumen. Foto mit freundlicher Genehmigung von CAMI Research Inc.

Dieser eigenständige Hochspannungskabeltester ist für eine einfache Integration in Produktionsprozesse konzipiert. Foto mit freundlicher Genehmigung von Cirris Inc.

Neue Produkte machen die Prüfung von Kabelbäumen jetzt einfacher als früher. Foto mit freundlicher Genehmigung von CAMI Research Inc.

Dieses für Tischtests konzipierte Handgerät kann 128 Durchgangspunkte analysieren. Foto mit freundlicher Genehmigung von DIT-MCO International

Dieses neue Produkt ermöglicht die automatische Messung und Berichterstattung von Umwelttestbedingungen. Illustration mit freundlicher Genehmigung von CAMI Research Inc.

Ein großer elektrischer Kabelbaum in einem Automobil kann Hunderte von Drähten, Dutzende von Steckverbindern und mehrere elektronische Komponenten wie Relais und Dioden enthalten. Trotz Crimpkraftüberwachung, Zugkraftprüfung und anderen Prüfungen gibt es keine Garantie dafür, dass jede Crimpverbindung fest sitzt, jeder Zentimeter der Isolierung unbeschädigt ist und jeder Draht an seinem richtigen Bestimmungsort eingeführt wird.

Unabhängig davon, ob sie in einem Fahrzeug verwendet werden, das rollt, schwimmt oder fliegt, müssen Kabel und Kabelbäume eine Reihe von Tests auf Kontinuität, Funktionalität und Sicherheit bestehen. Durch Tests wird sichergestellt, dass nichts schief geht, wie z. B. zeitweilige Fehler, Fehlanschlüsse, Fehlverdrahtungen, Unterbrechungen und Kurzschlüsse.

Bediener können Kabel und Leitungen mit verschiedenen Methoden an Tester anschließen, darunter Plug-in-Boards, Panels und Rack-Konfigurationen. Ein Standardtester kann gleichzeitig 1.000 Verbindungen zwischen Punkten in 3 Sekunden testen und dabei Messdaten für jede Verbindung liefern.

Trotz der jüngsten Zunahme von Hochspannungen und Prüfgeschwindigkeiten bleiben Durchgangsprüfungen weiterhin beliebt. Tatsächlich ist der grundlegende Prozess seit Jahrzehnten relativ unverändert geblieben.

Der Tester befindet sich normalerweise entweder auf einer Vorrichtung, einer Kabelbaumplatine, einem Testtisch oder einem Standardtisch. Hersteller, die eine Platine verwenden, testen Kabelbäume während des Baus. Ein Prüftisch verfügt über eine Reihe von Anschlussblöcken oder -platten, die als Gegenstück dienen. Beim Testen einfacher Kabelbäume ist es wirtschaftlich, einen Standard-Tischtester und einen eigenständigen Tester zu verwenden.

Der Bediener stellt den Tester auf eine bestimmte Niederspannung, z. B. 5 bis 15 Volt, und einen Widerstandsschwellenwert (in Ohm) ein, verbindet ihn mit einer passenden Vorrichtung und steckt alle Kabelbaumstecker in die passende Vorrichtung. Der Tester läuft kontinuierlich.

Innerhalb von Sekundenbruchteilen erzeugt es Strom und legt ihn in einer bestimmten Reihenfolge an alle Kabeltestpunkte an. Die Testergebnisse werden auf dem Anzeigefeld angezeigt. Wenn kein Fehler festgestellt wird, wird ein „Bestanden“ angezeigt, begleitet von einem Ton. Wenn ein Fehler erkannt wird, stoppt der Tester. Es zeigt die Stecker- und Pin-Nummern an und zeigt an, ob das Problem ein Kurzschluss oder ein offener Stromkreis ist.

Ein Kurzschluss entsteht, wenn zu viel Strom durch das Kabel fließt. Eine Unterbrechung tritt auf, wenn der Stromfluss aufgrund eines hohen Widerstands stoppt.

Die Anzeige bleibt eingeschaltet und verhindert weitere Tests, bis das Problem behoben ist. PC-basierte Tester zeigen diese Informationen auf einem Computermonitor an, oft zusammen mit Bildern der betroffenen Verbindungen.

Der Begriff „Hochspannung“ ist umstritten und hängt oft von einer bestimmten Anwendung ab. Beispielsweise bestehen Kabelbäume, die in Flugzeugen oder Eisenbahnwaggons verwendet werden, typischerweise aus größeren und komplexeren Baugruppen, die mehr Testpunkte und höhere Spannungen erfordern als bei Haushaltsgeräten oder medizinischen Geräten.

„Luft- und Raumfahrtanwendungen werden in der Regel in den 500-, 1.000- und 1.500-Volt-Gleichstrombereich eingeteilt“, sagt Brent Stringham, Direktor für Vertrieb, Marketing und Kundendienst bei DIT-MCO International, einem Unternehmen, das sich auf Testgeräte für die Luft- und Raumfahrt spezialisiert hat. Verteidigungs- und Bahnanwendungen. „In diesen Branchen gilt alles unter 500 Volt als Niederspannung.

„Alles über 1.500 Volt Wechselstrom oder 2.000 Volt Gleichstrom gilt als Höchstspannung“, betont Stringham. „In der Bahnindustrie sehen wir sogar einige Anwendungen, die bis zu 5.000 oder 6.000 Volt Gleich- und Wechselspannung erfordern.“

„Einer der größten Unterschiede zwischen Niederspannungs- und Hochspannungsprüfungen betrifft die Sicherheitsanforderungen“, fügt Ryan Balcom hinzu, General Manager bei Electric Continuity and Components (ECC), einem Unternehmen, das sich auf Durchgangsvorrichtungen zur Unterstützung des Gebäudes spezialisiert hat und Prüfung von Kabelbäumen. Darüber hinaus werden Vorrichtungen für die Funktionsprüfung von Automobilkomponenten wie Armaturenbrettbaugruppen, Front- und Heckverkleidungen sowie Sitzbaugruppen hergestellt.

„Niederspannungs-Durchgangsprüfungen werden typischerweise an einem Arbeitsplatz vor einem Bediener mit Handgeräten durchgeführt“, erklärt Balcom. „Der Operator ist die ganze Zeit da. Hochspannungsprüfungen hingegen müssen oft isoliert und fernab von Menschen durchgeführt werden.“

Einige Niederspannungsprüfer führen nur Durchgangsprüfungen durch. Andere verfügen über die Fähigkeit, Kabelbaumkomponenten zu erkennen und zu betätigen, darunter Relais, Schalter, Sensoren, Kondensatoren, Widerstände, Steckverbinder und Dioden.

Hochspannungsprüfer werden häufig für Hochspannungs- und Isolationswiderstandsprüfungen eingesetzt. Bei einem Hipot-Test werden 1.000 oder mehr Volt (Gleichstrom) an alle Testpunkte angelegt, um festzustellen, ob Strom von einem Punkt zum anderen fließt oder nicht. Wenn kein Strom fließt, sind die Testpunkte ordnungsgemäß isoliert. Bei der Isolationswiderstandsprüfung wird die Qualität der Drahtisolierung überprüft.

Einige Tischprodukte, wie der beliebte HVX-Tester von CAMI Research Inc., können sowohl Niederspannungs- als auch Hochspannungstests vollautomatisch durchführen. Es handelt sich um eines der CableEye-Kabel- und Kabelbaum-Testsysteme des Unternehmens. Jedes bietet Pass-Fail-Prüfungen, Diagnosetools, die Erstellung automatischer Kabelverdrahtungspläne, Kabeldesign, Protokolle und Berichte, Dateiverwaltung und Integration mit externen Geräten.

„Nach der Prüfung auf Unterbrechungen, Kurzschlüsse, Fehlverdrahtungen und Widerstandsgrenzen legt das HVX-System an jede Verbindungsgruppe im Kabel eine vom Benutzer wählbare Spannung von 10 Volt bis zur maximalen DC-AC-Spannung an“, sagt Margaret Bishop, Ph.D., technischer Marketingmanager bei CAMI. „Rampe hoch, Rampe runter, Verweilzeit (Testzeit), Auslösestrom und Auslöseverzögerung (Haltezeit) sind einstellbar. Der während der Hochspannungstestphase erkannte Leckstrom ist ein Maß für die Isolationsqualität.

„Es können Isolationswiderstände von bis zu 1 oder 5 Gigaohm aufgezeichnet werden, mit einer Stromempfindlichkeit von 1 µA bzw. 0,2 µA für die HVX- bzw. HVX-21-Modelle“, erklärt Bishop. „Jeder Leckstrom, der einen vom Benutzer voreingestellten Grenzwert überschreitet, weist auf das Vorhandensein von Feuchtigkeit, Flussmittel oder anderen Verunreinigungen an freiliegenden Kontakten hin. Mit unseren Systemen können Benutzer Testergebnisse für jede Verbindung anzeigen, aufzeichnen und Berichte erstellen, einschließlich Testspannung, Leckstrom und Isolationswiderstand.“

Der HVX enthält sowohl Niederspannungs- als auch Hochspannungs-Subsysteme und ermöglicht erweiterte Tests für Isolationswiderstand, dielektrischen Durchschlag und Zener-Dioden-Durchbruchspannung. Eine erweiterte Messoption bietet eine höhere Auflösung des Zweidrahtwiderstands und ermöglicht die Messung von Kondensatoren, der Aderpaarkapazität, der Prüfung verdrillter Adernpaare sowie der Kabellänge und der Länge bis zum Bruch. Eine Vierleiter-Kelvin-Widerstandsmessoption ermöglicht Widerstandsmessungen bis zu 1 mΩ.

„Wie bei allen unseren Modellen zeigt die Software bei Verwendung vorbestückter und vorkonfigurierter Testschnittstellenkarten zusätzlich zur zu prüfenden Verkabelung automatisch eine Grafik der Anschlüsse an“, bemerkt Bishop. „Der Tester kann problemlos so programmiert werden, dass er dasselbe für kundenspezifische Platinen und Vorrichtungen tut.

„Unsere Testsysteme sind wirklich zukunftssicher und ermöglichen sowohl Hardware-Upgrades als auch ganz einfache Software-Upgrades per Download von unserer Website“, sagt Bishop. „CableEye-Systeme, die vor mehr als 10 Jahren gekauft wurden, arbeiten jetzt mit unserer neuesten Softwareversion und nutzen Funktionen, die zum Zeitpunkt der Anschaffung der Tester nicht verfügbar waren.

„Zum Beispiel kann ein Benutzer mit einem älteren System jetzt einfach durch ein Upgrade seiner Software Popup-Arbeitsanweisungen für den Bediener generieren, eine Funktion, die es vor einigen Jahren noch nicht gab“, betont Bishop. „Dieses Maß an Zukunftssicherheit bringt es mit sich, dass es sich um ein echtes PC-basiertes System handelt. Andere Systeme mit eingebettetem Computer sind nicht so flexibel und hinken daher dem technologischen Fortschritt hinterher.

„Manche Spezifikationen fordern tendenziell unnötig hohe Spannungen, da man nicht weiß, was mit der aktuellen Technologie bereits möglich ist“, behauptet Bishop. „Leider ist der Kabelbaumhersteller normalerweise nicht in der Lage, gegen diese Spezifikationen vorzugehen, die folglich in der Lieferkette verbreitet werden.

„Wir haben mehrere Fälle gesehen, in denen wir festgestellt haben, dass die Testziele bei niedrigeren Spannungen mit Systemen mit größerer Leckstromempfindlichkeit problemlos erreicht werden können“, bemerkt Bishop.

Es besteht ein ständiger Bedarf, die Testprogrammierung und den Einrichtungsprozess zu rationalisieren, insbesondere bei Unternehmen, die einen großen Produktmix zusammenstellen. Die Bereitstellung von Methoden und Werkzeugen zur Vereinfachung dieser Prozesse ist der Schlüssel zur Erfüllung dieses Bedarfs.

„Wir sehen ein zunehmendes Interesse daran, unsere Tester mit anderen Geräten zu integrieren und Testdaten mit Unternehmensinformationssystemen zu teilen“, sagt Kevin Shelley, Produktmanager bei Cirris Inc., einem führenden Anbieter von Kabelbaum-Testgeräten, der kürzlich von Cirris Inc. übernommen wurde Schleuniger-Gruppe.

„Verbindungsbaugruppen werden immer komplexer, und mit diesem Trend besteht die Notwendigkeit, komplexere Baugruppen und Komponenten zu testen“, erklärt Shelley. „[Darüber hinaus] zwingt der Druck zur Produktivitätssteigerung Unternehmen dazu, Testprozesse zu automatisieren, wenn die Produktionsmengen die Investition rechtfertigen.

„Wir sehen eine steigende Nachfrage nach Testergebnisdaten, sowohl zur Dokumentation von Tests als auch zur Analyse“, betont Shelley. „Wir haben auf diesen Bedarf mit neuen Software- und Hardware-Konnektivitätsfunktionen reagiert.

„Wir sehen auch eine größere Nachfrage nach Tests bei höheren Spannungen, nicht nur im Automobilmarkt, sondern auch für andere Elektrofahrzeuge sowie für Anwendungen im Flugzeug und im Nahverkehr“, sagt Shelley.

Die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen erhöht die Notwendigkeit, Hochspannungskabel und -kabelbäume in der Automobilindustrie zu testen, da elektrische Systeme für eine Vielzahl von Start-, Fahr-, Lade- und Entladefunktionen verantwortlich sind.

Kabel- und Kabelbäume werden verwendet, um Ladeanschlüsse mit Batterien zu verbinden und Batterien mit Fahrmotoren und anderen Antriebsstrangkomponenten zu verbinden. Um sicherzustellen, dass in Fahrzeugen nur korrekte und voll funktionsfähige Kabelbäume installiert werden, müssen Kabel und Leitungen auf Durchgang, Isolierung und elektrische Festigkeit geprüft werden.

„Anwendungen in Elektrofahrzeugen erfordern höhere Prüfspannungen als bisher erforderlich“, behauptet Shelley. „Es gab schon immer ein Marktsegment, das die Fähigkeit benötigte, bei Spannungen über 2.000 Volt Gleichstrom oder 1.000 Volt Wechselstrom zu prüfen, aber der EV-Trend hat diesen Bedarf drastisch erhöht.“ Diese Anwendungen erfordern einzigartige, großvolumige Adapter zum Testen sowohl physikalischer als auch elektrischer Eigenschaften.

„Als Mitglied der Komax-Unternehmensfamilie konnte Cirris die Erfahrung und Fähigkeiten unserer Schwesterunternehmen nutzen, um Geräte zu produzieren und zu unterstützen, die höhere Spannungsanforderungen erfüllen und den Bedarf an EV-Testadaptern erfüllen“, sagt Shelley. „Um die hohen Produktionsvolumina der Automobilindustrie zu unterstützen, konnten wir unsere Testkapazitäten auch mit den Kabelverarbeitungs- und Integrationsfähigkeiten unserer Teammitglieder kombinieren.“

Laut Shelley und anderen Branchenexperten stellt der sich schnell entwickelnde Elektrofahrzeugmarkt neue Anforderungen an die Anbieter von Kabelprüfsystemen.

„Wir hatten Anfragen für Tests bis zu 20.000 Volt“, sagt Balcom von ECC. „Ingenieure, die Spezifikationen schreiben, können sich nicht an guten Standards orientieren. Deshalb spezifizieren sie jetzt Spannungen, die viel höher sind als das, was wir in der Vergangenheit gesehen haben.

„Diese Anfragen betreffen jedoch nicht nur die Automobilindustrie“, erklärt Balcom. „Wir sehen auch Interesse aus dem alternativen Energiesektor, beispielsweise für Anwendungen im Zusammenhang mit Solarenergie.

„Bei Elektrofahrzeugen testen einige Kunden Kabel und Kabelbäume bis zu 6.000 Volt, sie möchten jedoch, dass sie für eine viel höhere Spannung ausgelegt sind“, betont Balcom. „Der Mangel an Standards hat viele Ingenieure dazu gezwungen, viel höhere Ziele zu setzen, um einen großen Spielraum zu schaffen und zusätzliche Flexibilität für die Zukunft zu schaffen.“

Normen wie ISO 6722-1 definieren eine Vielzahl von Tests, die Fahrzeugkabel zur Zertifizierung bestehen müssen.

„Unsere Kunden beziehen sich am häufigsten auf den IPC/WHMA-A-620-Standard für allgemeine Kabel-/Kabelbaum-Testanwendungen“, sagt Shelley. „Auch auf den Militärstandard MIL-STD-202 und den Weltraumstandard MIL-HDBK-83575 wird häufiger verwiesen. Alle drei dieser Standards gibt es schon seit einiger Zeit, obwohl es von Zeit zu Zeit Änderungen gab.

„Die Hochspannungsprüfstandards für Elektrofahrzeuge entwickeln sich rasant weiter“, behauptet Shelley. „Deutsche Automobilhersteller haben sich auf einen proprietären LV 123-Standard als Grundlage für ihre Tests geeinigt. Für die Prüfung von Elektrofahrzeugkabeln gibt es auch die Standards IEC 62893 und EN50620.“

Ein neuer EV-Standard, der sich derzeit in der Entwicklung befindet, könnte Ingenieuren auch dabei helfen, zusätzliche Testherausforderungen zu bewältigen. IPC-7971 deckt alle Prozessanforderungen für die Montage von Hochspannungskomponenten ab. Darin wird unter anderem erklärt, was „akzeptabel“ ist und was als „schlecht“ oder „mangelhaft“ gilt.

Ziel ist die Schaffung eines Hochvolt-Kabelbaum- und Kabelstandards, um die Feldzuverlässigkeit der E-Mobilität und die Zuverlässigkeit der Fertigung zu verbessern. In jedem Abschnitt werden Themen wie Montage und Prüfung sowie Materialkomponenten und Geräteanforderungen behandelt. Neben Autos wird IPC-7971 auch Busse, Motorräder, Traktoren, Lastkraftwagen und andere Arten von Elektrofahrzeugen abdecken.

Ingenieure können aus einer Vielzahl innovativer Produkte wählen, die das Testen von Kabel- und Kabelbäumen jetzt einfacher denn je machen. Beispielsweise hat CAMI kürzlich eine Umgebungssensoroption mit dem Dracal PTH200-Sensor herausgebracht.

„Diese Option ist besonders für medizinische und Verteidigungsanwendungen interessant, da sie die automatische Messung und Meldung von Umgebungstestbedingungen (Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Druck) sowie elektrische Funktionsdaten für das zu testende Kabel, den Kabelbaum oder die Rückwandplatine ermöglicht“, sagt Bishop. „Diese Option vereinfacht Test- und Berichtsverfahren, insbesondere bei Tests mit Umweltkammern.“

„Wenn vorbestückte und vorkonfigurierte Platinen verwendet werden, zeigt die Software zusätzlich zur zu prüfenden Verkabelung automatisch eine Grafik der Anschlüsse an“, erklärt Bishop. „Der Tester kann problemlos so programmiert werden, dass er das Gleiche auch für kundenspezifische Platinen und Vorrichtungen tut.“

Auf der Electrical Wire Processing Technology Expo 2022 in Milwaukee stellte CAMI das M2Z-Niederspannungstestsystem vor. Neben der Prüfung auf Unterbrechungen, Kurzschlüsse und Verdrahtungsfehler prüft der Einstiegstester auch auf intermittierende Fehler und die Diodenausrichtung. Das Steuermodul verfügt über 128 Testpunkte und beinhaltet eine Sondenbuchse mit Sonde.

„Das M2Z wird mit umfassender, automatisierungsfähiger Software geliefert, die die Testerverwaltung, Fehlerbehebung, Pass-Fail-Tests und das Testen beliebiger Produktmengen und -mixe vom Prototyping bis zum Chargentest ermöglicht“, erklärt Bishop. „Es eignet sich für Kabel, die digitale Signale oder andere elektronische Signale übertragen, bei denen geringe Widerstände im Kabel oder in den Verbindungen die Funktion der Geräte, an die die Kabel angeschlossen sind, nicht beeinträchtigen.“

DIT-MCO International hat kürzlich das HT-128 auf den Markt gebracht, ein robustes Handgerät, das für Produktentwicklung, Tischtests und Feldunterstützungsanwendungen entwickelt wurde. Das Gerät kann mit 128 Testpunkten kommunizieren und eine Fernanalyse durchführen.

„Es ermöglicht Endbenutzern, installierte Kabel zu testen, ohne Stecker oder lange Loopback-Adapterkabel kurzzuschließen“, sagt Stringham. „Der HT-128 führt eine Durchgangs- und Widerstandsdiagnose für jedes Kabel in einem Kabelbaum durch. Fehler wie Unterbrechungen, Kurzschlüsse, vertauschte Drähte oder hoher Widerstand werden dem Benutzer innerhalb von Sekunden gemeldet.

„Das System ermöglicht es Ihnen, einzelne Tester an jeden Kabelbaum-Abzweigstecker anzuschließen, anstatt sich auf einen einzigen, zentralen Tester und mehrere Rückleitungsadapterkabel zu verlassen“, erklärt Stringham. „Dieser verteilte Ansatz ermöglicht es Ihnen, kleine, batteriebetriebene Tester zu verwenden, die drahtlos miteinander verbunden sind, um die gewünschte Kabelbaum-Testabdeckung zu erreichen.“

Später in diesem Jahr plant DIT-MCO die Vorstellung eines Testers der nächsten Generation, der sowohl Nieder- als auch Hochspannungsfähigkeit in einer modularen Einheit vereint. Das Unternehmen arbeitet außerdem an einem neuen Produkt, das künstliche Intelligenz nutzt, um die Fehlersuche im Kabelbaum zu verbessern. Man hofft, das zum Patent angemeldete Gerät bis 2024 vorstellen zu können.