Murata entwickelt Hochspannungskondensatoren für verbesserte Elektrofahrzeuge

Die rasante Entwicklung von Hybrid- und batterieelektrischen Fahrzeugen hat die Automobilindustrie revolutioniert, Verbrennungsmotoren ersetzt und die Branche vor Herausforderungen gestellt.

EVA-Gehäuse mit nach außen bzw. innen abgewinkelten Anschlüssen

Marken, Designer und Zulieferer müssen freier denken und schneller agieren, um mithalten zu können. Selbst einfache Komponenten wie Kondensatoren spielen eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung eines sicheren Übergangs zu Elektrofahrzeugen.

Zu den einschneidendsten Entwicklungen gehört die Anhebung der Betriebsspannungen der in EVs verwendeten Batteriesätze. Sind hier heute noch Werte von 350 bis 400 Volt üblich, kommen im Porsche Taycan und im Lucid Air bereits Traktionsbatterien mit Spannungen von 800 V bzw. 900 V zum Einsatz. Der Beweggrund hierfür ist die Reduzierung der I²R-Verluste in der Verkabelung der Fahrzeuge. Verdoppelt man die Batteriespannung eines EV von 400 V auf 800 V, so halbiert sich dadurch der Strom, der zum Übertragen derselben Leistung übertragen werden muss, und die durch Erwärmung der Leiter entstehenden Verluste verringern sich sogar auf ein Viertel.

Niedrigere Ströme erlauben die Verwendung leichterer Kabel, was wiederum die Fahrzeugmasse reduziert und dadurch die Reichweite verlängert. Auch hinsichtlich der Ladezeiten sind höhere Batteriespannungen von Vorteil, denn der Bau leistungsfähigerer Ladesysteme wird einfacher. Bei einigen der leistungsfähigsten heutigen Ladegeräte werden bereits flüssigkeitsgekühlte Ladekabel eingesetzt, um der Erwärmung bei sehr hohen Ladeströmen entgegenzuwirken. Hierauf könnte bei Ladestationen mit höheren Spannungen und dementsprechend niedrigeren Strömen verzichtet werden.

Die Herausforderungen des Hochspannungs-Designs
Batteriesätze bestehen aus Hunderten von Zellen, die jeweils eine Spannung von etwa 4 V abgeben, wenn sie vollständig aufgeladen sind. Um die benötigte Nennspannung des Batteriesatzes zu erreichen, werden viele dieser Zellen in Reihe geschaltet. Die Konstruktion des Batteriesatzes und das Batteriemanagement-System (BMS) entscheiden darüber, wie die einzelnen Zellen ge- und entladen werden, und ermöglichen dadurch ein schnelleres Laden. Ein weiterer limitierender Faktor für das Erzielen kürzerer Ladezeiten ist die Verfügbarkeit von entscheidenden Bauelementen wie etwa Sicherheitskondensatoren, deren Nennspannung so hoch ist, dass sie den Anforderungen an die Sicherheit von Automobilen gerecht werden können.

In der Halbleiterindustrie ist die Entwicklung der notwendigen Bauelemente bereits im Gange, wie man an den 1.200-V-IGBTs auf Siliziumbasis und an der Einführung von Siliziumkarbid-MOSFETs sehen kann. Alle diese Bauelemente besitzen jedoch eine bestimmte Durchbruchspannung, bei deren Überschreitung sie auf unvorhersagbare Weise ausfallen können.

Die Durchbruchspannungen werden üblicherweise für eine Temperatur von 25 °C angegeben, gehen bei höheren Temperaturen aber unter Umständen zurück. Zusätzlich müssen die Entwickler der Bauelemente die Tatsache berücksichtigen, dass die funktionale Sicherheit ihrer Produkte bei Spannungen geprüft werden wird, die kurzzeitig deutlich über der Nennspannung liegen. Nicht zuletzt müssen Sicherheitsmargen für etwaige Messfehler einkalkuliert werden.

Die Hersteller passiver Bauelemente sind ebenfalls gefordert, die Alterung ihrer Bauelemente im Einsatz zu minimieren, das Eindringen von Feuchtigkeit unter den rauen Einsatzbedingungen im Auto zu unterbinden und dem Entstehen von Kriechströmen auf den Gehäusen der Bauelemente und auf den Leiterplatten unter dem Einfluss hoher Spannungen entgegenzuwirken.

Kondensatoren als Beispiel
Kondensatorhersteller haben bereits jetzt mit diesen Problemen zu kämpfen. Die Antriebsstränge von EVs benötigen eine ganze Reihe von Sicherheitsfunktionen, in denen Sicherheitskondensatoren als Gleichtaktfilter und zum Isolieren von Schaltungen dienen. Diese Bauelemente, zu denen auch die Kondensatoren der EVA-Serie von Murata zählen, gehören entweder der Klasse X an und werden zwischen zwei Phasen oder zwischen Phase und Neutralleiter geschaltet, sodass ein Ausfall kein Risiko für einen elektrischen Schlag birgt, oder gehören zur Klasse Y und werden zwischen einer Phase oder dem Neutralleiter und dem Fahrzeugchassis angeschlossen, sodass bei einem Ausfall die Gefahr eines Brandes oder eines elektrischen Schlags besteht.

Bild 1 illustriert die Verwendung von Sicherheitskondensatoren in einem Bordladegerät. Die beiden Kondensatoren CY1 und CY2 dienen als Y-Kondensatoren auf der Primärseite der Schaltung, die beiden weiteren Kondensatoren CY4 und CY5 übernehmen auf der Sekundärseite die gleiche Funktion, und zwei weitere Kondensatorpaare nehmen diese Aufgabe an der Batterie (CY6 und CY7) bzw. am Traktionswechselrichter wahr (CY8 und CY9). Die Kondensatoren CX1 – 4 werden im gesamten Antriebsstrang für Glättungsaufgaben genutzt.



Einsatz von Sicherheitskondensatoren im Bordladegerät eines Elektrofahrzeugs

Um den hohen Betriebsspannungen der neuesten EVs gerecht zu werden, greifen EV-Hersteller zurzeit auf mehrere Kondensatoren mit niedrigerer Nennspannung zurück. Diese Bauelemente, bei denen es sich häufig um sperrige Folienkondensatoren für Durchsteckmontage handelt, erfüllen zwar ihren Zweck, benötigen aber eine besondere Behandlung während der Fertigung. Wenn man versucht, mit mehreren Bauelementen die Eigenschaften eines einzelnen Bausteins mit höherer Nennspannung nachzubilden, können sich höhere äquivalente Serienwiderstände und -induktivitäten ergeben, was die Fähigkeit zur Unterdrückung elektrischer Störgrößen unterminiert.

Als Gegenmittel gegen diese Probleme hat Murata eine Reihe oberflächenmontierbarer MLCCs (Multilayer Ceramic Capacitors) entwickelt, die für maximale DC-Betriebsspannungen von 1.500 V und maximale AC-Betriebsspannungen von bis zu 305 Vrms ausgelegt sind. Die Kondensatoren der EVA-Serie weisen eine Kriechstromstrecke von 6 mm bzw. 10 mm auf, wodurch das Risiko der Lichtbogenbildung geringer ist als bei anderen Bauelementen mit nur 4 mm Kriechstromstrecke.

Die Verwendung der EVA-Bausteine von Murata spart außerdem Leiterplattenfläche, senkt die Herstellungskosten und dürfte auch die Fertigungsausbeute verbessern. Die hohen DC- und AC-Nennspannungen der Bauteile bieten zudem genügend Reserven für die Verwendung in den Antriebssträngen heutiger Elektrofahrzeuge sowie in der kommenden Kategorie von Fahrzeugen, die Batteriesätze mit Spannungen von 800 V bzw. 900 V enthalten, um die resistiven Verluste einzudämmen.

Die EVA-Serie von Murata ergänzt das Angebot an Sicherheitskondensatoren des Unternehmens, zu denen die DE6-Bausteine für Durchsteckmontage und die oberflächenmontierbaren KCA-Bauteile mit einer Kriechstrecke von 4 mm gehören. Die EVA-Kondensatoren sind zwar länger, um auf die längere Kriechstrecke zu kommen, behalten aber die mechanische Festigkeit der KCA-Serie bei, denn sie besitzen Metallanschlüsse, und ihre innere Konstruktion ist mit Blick auf elektrische Beständigkeit ausgelegt.



Gängige Arten mechanischer Ausfälle bei MLCCs infolge von Biegungen der Leiterplatte

Das Resultat ist eine Serie von Bauelementen, die das Entstehen von internen Rissen durch Biegen der Leiterplatte verhindert und die Bildung von Rissen in der Lötverbindung zwischen Baustein und Leiterplatte effektiver verhindert als Bauteile ohne Metallanschlüsse (siehe die Bilder 3 und 4.



Vergleich der Robustheit von Keramikkondensatoren mit bzw. ohne metallene Anschlüsse



Diese Querschnittsansichten verdeutlichen, wie die Kondensatoren der EVA-Serie die Auswirkungen von Temperaturwechseln auf kritische Lötverbindungen reduzieren.

Einhaltung der einschlägigen Normen
Bauelemente, die für Automotive-Anwendungen vorgesehen sind, müssen mindestens gemäß des die AEC-Q200-Standards qualifiziert werden, -Qualitätsstandards der Industrie erfüllen, den Anforderungen der RoHS-Gesetze entsprechen, Betriebstemperaturen bis +125 °C verkraften und schließlich auch den Nachweis erbringen, dass sie langfristig mit Feuchtigkeit zurechtkommen. Die JEDEC-Normungsinstanz legt so genannte „Moisture Sensitivity Levels“ fest. Diese geben an, wann Bauelemente bei der Reflow-Lötung beschädigt werden können, weil sich die in das Bauteil eingeschlossene Feuchtigkeit erwärmungsbedingt ausdehnt.

Bauelemente, bei denen das Risiko für solche Phänomene besonders niedrig sein muss, müssen zum Austrocknen solcher Feuchtigkeitseinschlüsse vorab für eine vorgegebene Zeitspanne gebacken und anschließend gegurtet in einer Aluminiumverpackung mit Trockenmittel ausgeliefert werden. Die EVA-Bausteine erfüllen die Norm MSL3. Dies bedeutet, dass es bei ihnen nach dem JEDEC-Standard unter MSL2-Bedingungen zu keiner Rissbildung kommt. Murata gibt außerdem Empfehlungen für die korrekte Temperatur und Feuchte bei der Lagerung dieser Bauelemente heraus.

Zusammenfassung
Das hohe Entwicklungstempo bei den Elektrofahrzeugen verändert die Art und Weise, wie an das Design von Fahrzeugen herangegangen wird. Um mit der hohen Schlagzahl der EV-Entwicklung Schritt zu halten, müssen Fahrzeughersteller ihre bestehenden Technologien, Techniken und Bauteile an die geänderten Anforderungen anpassen. Gleichzeitig beeilen sich die Zulieferer, Bauelemente zu produzieren, die für diese neuen Anwendungsfälle optimiert sind. Murata ist mit seiner Entwicklung von Produkten für den EV-Markt bereits weit fortgeschritten, wie die Einführung der MLCCs der EVA-Serie zeigt.

Es wird interessant sein zu beobachten, wie die Weiterentwicklung bei den EV-Designs voranschreiten wird, sobald die Industrie nicht mehr mit den verfügbaren Bauelementen Vorlieb nehmen muss, sondern die Bauteile bekommt, die sie tatsächlich wünscht – wie eben die EVA-MLCCs von Murata.

www.murata.com

  Fordern Sie weitere Informationen an…