Passive elektronische Komponenten für E-Autos aus einer Hand

Die Anforderungen an elektronische Komponenten für die Elektromobilität sind hoch, dies gilt auch für passive Komponenten. Sie müssen nicht nur einfach montierbar, sondern auch schock- und vibrationsresistent sein und zum Beispiel beim Einsatz von SiC-Bauelementen auch Temperaturen bis +180 °C vertragen können.

Das Schlagwort Elektromobilität ist in aller Munde. Aber so groß das Potenzial dieser Branche ist, so anspruchsvoll ist sie hinsichtlich der verbauten Komponenten, sei es im E-Auto selbst oder in der Ladeinfrastruktur. Damit die einzelnen Komponenten gut zusammenarbeiten lohnt sich für Anwender die Überlegung, diese vom gleichen Hersteller zu beziehen. Die Produkte von Mersen kommen an vielen Stellen zum Einsatz. Laminierte Stromschienen sind zum Beispiel in den Batteriemodulen, den Wechselrichtern für Akkupacks und in Ladestationen verbaut. Entwicklung, Herstellung und Prüfung der Komponenten führt das Unternehmen selbst durch und besitzt auch umfangreiche eigene Fertigungskapazitäten mit IATF-Zertifizierung.

Speziell für den Einsatz in Elektrofahrzeugen eignet sich die in Kooperation mit F & K Delvotec entwickelte standardisierte Batteriezellen-Verbindungsplattform Infinicell (Bild 1). Die Modullösung umfasst eine sehr dünne einlagige überlappende laminierte Stromschiene mit einer intelligenten Strom- und Temperaturüberwachung. Alle Verbindungs- und Überwachungsfunktionen sind voll integriert. Die Plattform ist für eine einfache Installation ausgelegt und reduziert Sicherheitsprobleme, zum Beispiel Kurzschlüsse bei der Modulmontage und beim Schweißen.

Darüber hinaus bietet sie eine gute Schock- bzw. Vibrationsresistenz, eine verbesserte Stromtragfähigkeit (Werte sind abhängig von der anwendungsspezifischen Konfiguration) sowie eine Temperaturbeständigkeit von über +105 °C. Ein Teil der Wärme lässt sich aus dem System ableiten. Dank eines proprietären Laserschweißverfahrens ist der Montageprozess im Vergleich zum traditionellen Draht- oder Flachbandbonden vier Mal so schnell.

Für den Einsatz in E-Autos und Ladestationen eignen sich darüber hinaus die laminierten Stromschienen der Serien Mhi-T105, Mhi-T130 und MHi-T180. Diese Hochtemperaturlösungen ermöglichen dank der optimierten Materialbeschaffenheit von Polyimid bzw. Polyaramid einen Einsatz bis zu +180 °C. Dies macht sie zu einer sehr guten Lösung für die Handhabung von Elektronik auf Siliziumkarbid-Basis (SiC), die eine geringe Induktivität von 10 bis 30 nH benötigt (Bild 2).

Niederinduktive Kondensatorbänke

Seit 2018 gehört der Kondensatorhersteller FTCAP zur Mersen-Gruppe und seitdem liegt im Unternehmen ein besonderer Fokus auf der Entwicklung von Lösungen, die Kondensatoren und laminierte Stromschienen integrieren. Ein Beispiel dafür ist die FischerLink-2.0-Kondensatorbank. Sie besteht aus Folienkondensatoren, die auf einer laminierten Hochtemperatur-Sammelschiene der Serie MHi-T mit niedriger Induktivität laserverschweißt sind. Durch den kürzeren direkten Anschluss der Kappenwicklung an die Stromschiene erreicht der FischerLink 2.0 bei gleicher Bauhöhe eine um bis zu 20 Prozent höhere Kapazität als vergleichbare Kondensatorbänke (Bild 3). Außerdem besitzt die Kondensatorbank eine sehr niedrige Induktivität von <9 nH.

In der Elektromobilität kommen Kondensatoren generell zur Stromversorgung der Elektromotoren und zur EMV-Reduzierung zum Einsatz. Wichtig ist auch der Anwendungsbereich Hochvoltzwischenkreiskondensatoren. Hier wird in Modulbauweise der Kondensator mit dem IGBT mechanisch verbunden. Diese Kondensatoren müssen vor allem besonders temperaturbeständig und strombelastbar sein. Eine verfügbare Lösung ist zum Beispiel ein Kondensator, der speziell auf den Platzbedarf rund um die Radnabe in einem Radnabenmotor ausgerichtet ist.

Sicherungen: DC-Schutz bis 1000 V_DC

Die EVpack-Sicherungen für Akkupakete und M-Sicherungen für Akkumodule von Mersen erfüllen die speziellen Lastprofil-Anforderungen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen sowie Akkupacks (Bild 4). Bei einem Schutz von 100 bis 1000 VDC und bis zu 800 A bieten sie ein Mindestausschaltvermögen von 2 kA, das sehr gut mit dem Ausschaltvermögen der DC-Schaltgeräte zum Schutz vor Überlast übereinstimmt.

Ein Highlight ist die Serie MEV50A. Sie gewährleistet ein niedriges Mindestausschaltvermögen (4 × IN oder 2 kA), eine hohe Ausschaltleistung von 30 kA für alle Batterietypen sowie eine hohe Energieeffizienz mit geringen Leistungsverlusten. Darüber hinaus bietet die Lösung eine sehr gute Zyklenfähigkeit und ist konform mit ISO 8820 und internationalen elektrischen Standards (JASO D622, IEC 60 269-1 und –4, IEC 60 269-7). Verfügbar ist die EV-Sicherung in fünf Größen mit Durchmessern von 20 bis 45 mm, wobei die Konstruktion auch individuell anpassbar ist.

Die hybriden Pyro-Sicherungen der Xp- und Xs-Serie wurden speziell für den Schutz von kritischen Gleichstromanwendungen in der Elektromobilität entwickelt (Bild 5). Die kompakten, dichten Lösungen basieren auf einer kostengünstigen Technologie, die die Vorteile von Sicherungs- und Pyroschaltertechnologien kombiniert, um Lichtbögen in einem optimierten Volumen zu verwalten. Sie minimieren Leitungsverluste, bieten mit <1 ms einen besonders schnell wirkenden Schutz und funktionieren sowohl bei großen als auch bei kleinen Fehlerströmen von 0 kA bis 30 kA.

Letzteres ist ein Alleinstellungsmerkmal, denn durch die Ausweitung der Sicherung im Bereich der kleineren Ströme ermöglichen die Pyro-Sicherungen eine vollständige Kooperation zwischen Sicherung und Schaltschütz. Der Hintergrund: Rein theoretisch sollten diese Komponenten innerhalb des EV-Batterieschutzschemas unabhängig von Strom- und Spannungsverhältnissen zusammenarbeiten. In der Realität verbleibt jedoch oft eine graue Zone, was bei den hier vorgestellten Sicherungen aber nicht auftritt.

Leistungselektronik rund um aktuelle IGBT- und SiC-Bauelemente benötigt eine zuverlässige Kühlung. Mersen bietet hierfür Lösungen basierend auf drei Kühltechnologien: Mit Luft-, Phasenwechsel- und Flüssigkeitskühlkörpern lassen sich eine große Bandbreite von Anwendungen abdecken (Bilder 6 und 7). Die modulare Lösung IsoMAXX gehört zum Beispiel zur Gruppe der Flüssigkeitskühlkörper. Durch die Verwendung eines Gegenstrom-Wellenspiralen-Fluidik-Musters verbessert sie das Wärmemanagement der aktuellsten Generationen von IGBT- und SiC-Leistungsmodulen und bietet einen geringeren Druckabfall als reguläre Kühlplatten. Das kompakte Design lässt sich flexibel an die Anzahl der Module auf der Platte anpassen. (na)