Die rasante Entwicklung von Batterie- und Hybrid-Elektrofahrzeugen (EVs) hat eine Revolution in der Automobilindustrie ausgelöst. Als ob der Ersatz von Verbrennungsmotoren durch Elektromotoren nicht revolutionär genug wäre, stellt das Tempo der Entwicklung von Elektrofahrzeugen eine weitere Herausforderung für die Branche dar. Marken, Designer und Zulieferer müssen freier denken und schneller agieren, um mithalten zu können. Selbst einfache Komponenten wie Kondensatoren spielen eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung eines sicheren Übergangs zu Elektrofahrzeugen.
Eine der auffälligsten jüngsten Entwicklungen war die Erhöhung der Betriebsspannung von Batteriepaketen für Elektrofahrzeuge, von den heute üblichen 350–400 V Gleichstrom auf die 800 V Gleichstrompakete, die im Porsche Taycan verwendet werden, und die 900 V Gleichstrompakete, die in der Lucid Air-Limousine verwendet werden. Dies wurde durchgeführt, um Verluste zu reduzieren2R in der Verkabelung dieser Fahrzeuge. Wenn wir die Packspannung für ein Elektrofahrzeug von 400 V auf 800 V verdoppeln, halbieren wir den Strom, der zur Erzeugung der gleichen Strommenge benötigt wird, und vierteln den Energieverlust durch Widerstandserwärmung. Niedrigere Ströme bedeuten leichtere Kabelbäume, was die Fahrzeugmasse reduziert und die Reichweite erhöht. Wenn es um die Ladezeiten geht, erleichtert ein Akku mit höherer Spannung den Bau leistungsstärkerer Ladegeräte. Einige der leistungsstärksten Ladegeräte von heute verwenden in ihren Ladekabeln bereits flüssiges Kühlmittel, um Widerstandserwärmung bei sehr hohen Strömen entgegenzuwirken. Dieser Bedarf würde durch Ladestationen mit höherer Spannung und niedrigerem Strom reduziert.
Die Herausforderung beim Hochspannungsdesign
Akkupacks bestehen aus Hunderten einzelner Zellen, die bei voller Ladung jeweils etwa 4 V erzeugen und in Reihe geschaltet sind, um die vom Pack benötigte Betriebsspannung zu erzeugen. Es ist das Design des Akkus und das Batteriemanagementsystem (BMS), das steuert, wie jede darin enthaltene Zelle geladen und entladen wird, was ein schnelleres Laden ermöglicht. Der andere limitierende Faktor für ein schnelleres Laden ist die Verfügbarkeit von Schlüsselkomponenten, wie z. B. Sicherheitskondensatoren, deren Betriebsspannung hoch genug ist, um den Sicherheitsanforderungen von Kraftfahrzeugen gerecht zu werden.
Die Entwicklung der notwendigen Komponenten ist in der Halbleiterindustrie bereits im Gange, mit der Entwicklung von 1200-V-Silizium-IGBTs und der Einführung von Siliziumkarbid-MOSFETs. Alle diese Teile haben Bruchgrenzen, deren Erreichen zu einem unvorhersehbaren Ausfall des Geräts führen kann. Durchbruchspannungen werden normalerweise bei Betriebstemperaturen von 25 °C angegeben, können jedoch bei höheren Temperaturen reduziert werden. Komponentenentwickler müssen außerdem die Tatsache berücksichtigen, dass die Sicherheit ihrer Komponenten für kurze Zeiträume bei deutlich höheren Betriebsspannungen als ihrer eigenen getestet wird, und Messfehlertoleranzen berücksichtigen.
Hersteller passiver Komponenten müssen außerdem die Alterung ihrer Komponenten im Betrieb minimieren, verhindern, dass Feuchtigkeit unter den rauen Betriebsbedingungen eines Autos eindringt, und Leckagen verhindern, also die Tendenz von Strömen, durch Beschichtungen und Leiterplatten (PCBs) zu wandern, wenn sehr hohe Spannungen auftreten .
Ein Beispiel: der Kondensator
Kondensatorhersteller haben bereits mit diesen Problemen zu kämpfen. EV-Antriebsstränge erfordern eine Vielzahl von Sicherheitselementen, einschließlich Kondensatoren, die als Gleichtaktfilter und Schaltkreisisolatoren fungieren. Diese Geräte, wie die EVA-Serie von Murata, werden entweder über elektrische Kabel (sogenannte Klasse-A-Konfiguration) verwendet, die im Falle eines Kurzschlusses einen Brand oder einen Stromschlag verursachen könnten.
Abbildung 1 (unten) zeigt die Verwendung von Sicherheitskondensatoren in einem Bordladegerät mit zwei Geräten (CY1 y CY2), die als Kondensatoren auf der Primärseite der Schaltung fungieren, zwei weitere (CY4 y CY5), die im Sekundärteil die gleiche Funktion erfüllen, und zwei weitere Paare (CY6 y CY7), die die gleiche Aufgabe auf der Batterie ausführen (CY6 y CY7) und der Traktionsumkehrer (CY8 y CY9). Kondensatoren CX1 – 4 Sie erfüllen im gesamten Antriebsstrang ausgleichende Funktionen.
Abbildung 1.
Hersteller von Elektrofahrzeugen verwenden derzeit Niederspannungskondensatoren – häufig sperrige Folienkondensatoren mit Durchgangsbohrung –, um die sehr hohen Spannungen neuerer Elektrofahrzeuge zu bewältigen. Diese Geräte funktionieren, erfordern jedoch eine besondere Handhabung bei der Herstellung. Die Verwendung mehrerer Geräte zur Nachbildung der Eigenschaften eines einzelnen Hochspannungsgeräts kann auch zu einem höheren äquivalenten Serienwiderstand und einer äquivalenten Serieninduktivität für das Verbundgerät führen als bei einer monolithischen Lösung, wodurch seine Fähigkeit zur Unterdrückung von elektrischem Rauschen beeinträchtigt wird.
Um diese Probleme anzugehen, hat Murata eine Reihe oberflächenmontierbarer Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) mit Spitzen-DC-Betriebsspannungen von 1500 V und Spitzen-AC-Betriebsspannungen von bis zu 305 V entwickelt.rms. EVA-Kondensatoren bieten eine Kriechstrecke von 6 und 10 mm und verringern so die Möglichkeit einer Lichtbogenbildung im Vergleich zu anderen Geräten mit Kriechstrecken von nur 4 mm. Der Einsatz von Murata EVA-Komponenten spart außerdem Platz auf der Leiterplatte und Montagekosten und dürfte die Herstellungskosten senken. Die hohen DC- und AC-Betriebsspannungen der Komponenten verleihen ihnen die nötige Leistung, um in den heutigen Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen zu funktionieren und eine Rolle in der aufstrebenden Klasse von Fahrzeugen zu spielen, die 800-V-DC- und 900-V-DC-Batteriepakete verwenden, um Verluste zu reduzieren. Widerstandsfähig.
Abbildung 2 zeigt zwei verschiedene EVA-Rucksäcke, mit externem Flex-Typ (2 mm Leck) und internem Flex-Typ (10 mm Leck).
Abbildung 2: Die EVA-Packs mit externem und internem Flex.
Die EVA-Geräte ergänzen Muratas Sortiment an Sicherheitskondensatoren, zu dem DE6-Komponenten in einem Gehäuse für die Durchsteckmontage und oberflächenmontierbare KCA-Komponenten mit einer Kriechstrecke von 4 mm gehören. Während die EVA-Komponenten länger sind, um der größeren Kriechstrecke Rechnung zu tragen, behalten sie die mechanische Festigkeit der KCA-Komponenten bei, da sie über Metalloberflächen und ein internes Design verfügen, das auf elektrische Robustheit ausgerichtet ist. Das Ergebnis ist eine Reihe von Komponenten, die Gerätebrüchen aufgrund von Leiterplattenverbiegungen widerstehen und Lötbrüchen zwischen Gerät und Platine wirksamer standhalten als Geräte ohne Metallanschlüsse.
Abbildung 3: Häufige Formen mechanischer Ausfälle bei MLCCs aufgrund von Leiterplattenverbiegungen.
Standards erreichen
Komponenten für den Einsatz in Automobilanwendungen müssen den Branchenqualitätsstandards AEC-Q200 entsprechen, den Anforderungen der RoHS-Gesetzgebung entsprechen, Betriebstemperaturen von bis zu 125 °C bieten und nachweisen, dass sie langfristig effektiv mit Feuchtigkeit umgehen können. Das JEDEC-Standardisierungsgremium definiert Feuchtigkeitsempfindlichkeitswerte, bei denen eine Komponente beim Aufschmelzlöten aufgrund der Ausdehnung der im Inneren eingeschlossenen Feuchtigkeit beschädigt werden könnte. Komponenten, bei denen dieses Risiko minimal ist, sollten für eine bestimmte Zeit zum Trocknen eingebrannt und dann auf einer Klebebandrolle in einem Aluminiumgehäuse mit Trockenmittel geliefert werden. EVA-Komponenten werden MSL3-konform sein, das heißt, sie werden gemäß dem JEDEC-Standard getestet, um nachzuweisen, dass sie unter MSL2-Bedingungen nicht reißen. Murata empfiehlt außerdem die richtige Temperatur und Luftfeuchtigkeit für die Lagerung der Komponenten.
Fazit
Die rasante Entwicklung von Elektrofahrzeugen verändert unsere Vorstellung vom Fahrzeugdesign völlig. Um mit dem rasanten Tempo der Entwicklung von Elektrofahrzeugen Schritt zu halten, müssen Fahrzeughersteller bestehende Technologien, Techniken und Komponenten an ihre Bedürfnisse anpassen, während Zulieferer sich beeilen, Komponenten herzustellen, die für diese neuen Anwendungen optimiert sind. Murata ist bei der Entwicklung von Produkten für den EV-Markt bereits weit fortgeschritten, wie die Einführung des MLCC EVA zeigt. Es wird interessant sein zu beobachten, wie sich die Designs von Elektrofahrzeugen weiterentwickeln, wenn die Industrie von der Verwendung der Komponenten, die sie bekommen kann, zur Verwendung der Komponenten übergeht, die sie benötigt – wie zum Beispiel die MLCC-EVAs von Murata.
