Ob bei der Aufladung der Batterie, der Beschleunigung des Elektromotors und/oder schnellen Schaltprozessen der Leistungschips: Die Anforderungen und Belastungen für die Leistungselektronik in der Elektromobilitätsbranche sind enorm. Im Gegensatz zu vielen anderen Bereichen der Elektronik müssen Fahrzeugkomponenten höheren Belastungen über einen wesentlich längeren Zeitraum standhalten. Die Automobilhersteller verlangen von der Automobilzulieferindustrie, dass sie für ihre Produkte eine Lebensdauer von mindestens 10 Jahren oder 250.000 km gewährleisten. Umso wichtiger ist es, die Spezifikation der Teile einzuhalten, ohne diese Grenzen zu überschreiten. Hier wird die höchste Leistung erreicht, aber Belastungen darüber hinaus führen oft zu irreparablen Schäden an den sensiblen Bauteilen. Präzise Messungen sind daher entscheidend. Die häufig verwendeten NTC-Sensoren werden zunehmend zu einer Schwachstelle vieler Elektroautos. Aufgrund von zeit- und temperaturabhängigen Prozessen im Bulk-Material verschiebt sich die Kennlinie nach einiger Zeit und die Genauigkeit der Messung nimmt ab. Dadurch können Temperaturgrenzen nicht mehr erreicht werden und notwendige Sicherheitsmargen reduzieren die Leistung der Elektronik.
Platin-Dünnschichtsensoren sind hierfür die Lösung. Eine Platinschicht auf einem Aluminiumsubstrat sorgt für eine nahezu linearen Kennlinie und ermöglicht so kontinuierlich präzise Messungen. Heraeus Nexensos verfügt bereits über langjährige Erfahrung mit diesen Sensoren in anderen Anwendungsbereichen der Automobilindustrie und wendet dieses Wissen nun für Fortschritte in der Elektromobilität an. Dieses Know-how wird aktuell gezielt in vier Anwendungsbereichen eingesetzt:
Ladestecker: Sichere Energieübertragung
Vor allem aus sicherheitstechnischer Sicht ist das vorrangige Ziel der Optimierung der Ladezeiten an seine Grenzen gestoßen. Die Qualität und Zuverlässigkeit der Ladestecker müssen über einen langen Zeitraum gewährleistet sein. Gleichzeitig sollte die Ladeleistung langfristig unverändert bleiben. Die durch die hohe Energieübertragung erzeugte Wärme kann jedoch sowohl den Stecker als auch die Verbindung im Auto beschädigen. Um dies zu vermeiden, sind präzise, driftfreie Messungen über die gesamte Lebensdauer erforderlich. Darüber hinaus müssen erhöhte Temperaturen schnell erkannt werden, um den Benutzer und die Geräte zuverlässig zu schützen.
Platin-Dünnschichtsensoren haben sich als langzeitstabil erwiesen und bieten die notwendige Messgenauigkeit für die erwartete Lebensdauer. Die Eigenschaften der Platinsensoren in Bezug auf Driftstabilität, Ansprechverhalten und Präzision ermöglichen es ihnen, hohe Sicherheitsanforderungen an Menschen und Material zu erfüllen und die Tür für fortschrittliche Entwicklungen und Leistungssteigerungen zu öffnen. Die SMD-Version des Platinsensors ist auf einer Leiterplatte vorappliziert und wird aufgrund der potentialfreien Rückseite mittels Schrumpfschlauch oder Metallfedern einfach auf die metallischen Kontaktpins positioniert. Diese flexible Verbindung eröffnet neue, vorteilhafte Design- und Thermoverbindungsmöglichkeiten. Die Platzierung direkt auf dem Metallstift garantiert die beste Reaktionszeit für einen optimalen Schutz.
Akku: Langlebige Energiespeicherung
Ungenauigkeiten in der Batterietemperaturmessung erfordern größere Sicherheitspuffer, was wiederum die Reichweite und Energieeffizienz reduziert. Das Ziel, Batterien in der Nähe der Grenztemperaturen zu betreiben, erfordert jedoch eine hohe Messgenauigkeit über einen langen Zeitraum. Darüber hinaus stellt die Automobilumgebung höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Temperaturinformationen für das Laden und Entladen müssen ohne nennenswerte Zeitverzögerung bereitgestellt werden. Gleichzeitig werden Messungen direkt an der Zelle durchgeführt.
Platin-Dünnschichtsensoren zeichnen sich durch extrem hohe Stabilität und geringe Drifts aus, so dass das gesamte Arbeitspotenzial der Batterie langfristig risikofrei genutzt werden kann. Temperatursensoren werden zum Beispiel auf Flexboards positioniert und angeschlossen. Die Elemente können mit selbstklebender Folie direkt an den Hot Spots positioniert werden, um ein hervorragendes Ansprechverhalten zu erreichen. Die Plug-and-Play-Montage wird durch den Einsatz von AEC Q200 konformen SMD-Chips in Kombination mit Standardsteckverbindern ermöglicht. Die Präzision der Platinsensoren und ihre optimierte Kombination mit dem idealen Design zur Integration, sorgen für mehr Sicherheit, mehr Leistung und langfristig eine längere Lebensdauer.
Leistungselektronik: Effizientere Kontrolle
Leistungselektronikmodule sind für die Energieverteilung und das Energiemanagement in Elektrofahrzeugen verantwortlich. Die Automobilindustrie stellt die Leistungselektronik vor besondere Herausforderungen, wenn es um Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit bei automotivtypischem Kostendruck geht. Die lange Lebensdauer und hohe Präzision der Platinsensoren im Messbereich über 200 °C ermöglicht einen Betrieb nahe den Belastungsgrenzen des Leistungschips. Dies führt zu einer deutlich höheren Leistung bei geringeren Verlusten. Gleichzeitig eröffnet die höhere Anwendungstemperatur neue Möglichkeiten für den Einsatz zukunftsweisender Materialsysteme auf Basis von SiC und GaN. Darüber hinaus unterstützen speziell entwickelte sinterfähige Temperatursensoren im SMD-Format innovative Fertigungsmethoden und kompaktere Bauformen.
Platin-Temperatursensoren können so kompakt und potentialfrei direkt auf dem Substrat der Leistungselektronik positioniert werden. Die Temperatur wird an der kritischen Stelle mit einer schnellen Reaktionszeit gemessen. Durch die isolierte Funktionsschicht entfallen zusätzliche Strukturierungsschritte wie Ätzgräben auf dem Substrat, was zu maximaler Gestaltungsfreiheit führt. Langfristige Stabilität und Präzision des Platinsensors unterstützen die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Weitere Entwicklungsziele sind neben kompakteren Bauformen effizientere Produktionsprozesse, die es beispielsweise ermöglichen, alle Komponenten in einem Prozessschritt zu montieren. Dazu bedarf es innovativer Montage- und Verbindungstechnik sowie Temperatursensoren für Betriebsbedingungen über 200 °C.
Elektromotor: Die treibende Kraft
Der Elektromotor ist eine kritische Komponente, und das nicht nur, weil er sehr teuer ist. Motoren mit Permanentmagneten sowie Induktions- Maschinen erfordern ein hohes Schutzniveau, besonders bei Volllast. Temperaturüberlastungen müssen über die gesamte Lebensdauer und auch bei zusätzlichen mechanischen Belastungen wie Vibrationen während der Fahrt zuverlässig vermieden werden. Ein empfindlicher Schwachpunkt ist die Lackisolierung der Kupferverbindungsdrähte, die bei hohen Temperaturen schmelzen und zu dauerhaften Schäden am Elektromotor führen. Der große Messbereich, die lineare Kennlinie und die Driftstabilität in typischen e-Motor-Temperaturbereichen ermöglichen es, sie über den gesamten Lebenszyklus optimal zu schützen, ohne ihre Leistung aus Präzisionsgründen künstlich zu reduzieren. Eine "semiflexible" Gehäusetechnik bietet dem Sensorelement einen optimalen mechanischen Schutz. Die eingesetzte Platin-Dünnschicht-Sensorik hat sich als sehr stabil erwiesen und hält die notwendige Messgenauigkeit über die gesamte Lebensdauer des Elektromotors aufrecht. Eine Vielzahl von verfügbaren Montageoptionen bieten Freiräume im Designprozess, einschließlich der Möglichkeit, den Sensor innerhalb des Motorgehäuses zu positionieren, was zu schnelleren Reaktionszeiten führt.
Zusammenfassung
Der wichtigste Faktor für die Entwicklung der Elektromobilität ist die Effizienz. Dies geschieht jedoch nicht durch den Einsatz möglichst billiger Komponenten, sondern durch den Einsatz hochwertiger Komponenten, die ständig an ihren Leistungsgrenzen arbeiten. Platin-Dünnschichtsensoren sind die beste Lösung, um diese Leistung durch präzise Temperaturmessungen dauerhaft zu gewährleisten. Und die Nachfrage wächst stetig - wie das Beispiel China zeigt: Dort wurde bereits eine Quote für Elektroautos und Plug-in-Hybride eingeführt, die besagt, dass in- und ausländische Automobilhersteller Mindestziele für den Anteil alternativer Antriebseinheiten in Produktion und Vertrieb erreichen müssen. Auch in Europa beschleunigt sich der Ausbau der Elektromobilität weiter. Der Einsatz effizienter Sensorik stellt damit einen wichtigen Erfolgsfaktor im Wettbewerb auf dem Weltmarkt dar. Um diesen Bedarf decken zu können, sind Platin-Dünnschichtsensoren unverzichtbar und die Technologie der Zukunft. Die Produktlösungen, das Entwicklungs-Know-how und die Branchenerfahrung von Heraeus Nexensos tragen dazu bei, die günstigen Rahmenbedingungen und die Qualitätssicherung für eine erfolgreiche Marktentwicklung sicherzustellen. Mit Sensorprodukten und Entwicklungskompetenz unterstützt Heraeus Nexensos seine Partner dabei, den Fortschritt in der Elektromobilität voranzutreiben - immer an die Grenzen des technisch Machbaren zu gehen – und so neue Chancen und Werte zu schaffen.