Der zunehmende Trend hin zu xEV stellt die Automobilindustrie und ihre Zulieferer gleichermaßen vor neue Herausforderungen. Vor allem kurze Ladevorgänge bei xEV-Batterien erfordern eine hohe Ladeleistung im deutlich dreistelligen kW-Bereich und führen zu einer starken Erwärmung der betroffenen Komponenten. Grundvoraussetzung ist deshalb eine entsprechende thermische Überwachung für Ladesäule, Steckersystem, Stromschienen, Leistungselektronik sowie die HV-Batterie notwendig. Eine mangelhafte Temperaturüberwachung kann zum Verschleiß dieser Systemkomponenten, zu einer verringerten Lebensdauer oder sogar zu ihrem Ausfall führen. Eine starke Überhitzung kann im schlimmsten Fall zum Brand der Batterie führen.

Bild 1: Systemkomponenten für das Laden von xEV-Batterien lassen sich hochzuverlässig mit NTC-Temperatursensoren überwachen. Dafür bietet TDK ein überaus breites Portfolio.

Bild 1: Systemkomponenten für das Laden von xEV-Batterien lassen sich hochzuverlässig mit NTC-Temperatursensoren überwachen. Dafür bietet TDK ein überaus breites Portfolio. TDK Electronics

TDK hat für die Temperaturüberwachung in Applikationen der E-Mobilität spezielle NTC-Temperatursensoren entwickelt, die dank ihrer hohen Zuverlässigkeit und Sensitivität eine gute thermische Überwachung ermöglichen (Bild 1). Damit lässt sich der Ladevorgang optimieren, die Lebensdauer der thermisch belasteten Komponenten steigern und sicherheitsrelevante Funktionen realisieren Diese NTC-Temperatursensoren zeichnen sich außerdem durch eine hohe Messgenauigkeit und kurze Ansprechzeiten aus und sind für die Überwachung von thermischen Prozessen im Ladeprozess bestens geeignet.

Höhere Batterielebensdauer durch thermische Überwachung

Hochvolt-Batterien liefern bei genau definierten Arbeitstemperaturen eine optimale Energieausbeute. Eine verlässliche Überwachung und Regelung der Batterietemperatur verhindert eine Überhitzung der Batterie, verlängert damit deren Lebensdauer und erhöht die Sicherheit. Dazu muss das implementierte Systeme die Batterietemperatur an mehreren Stellen messen, um lokale Überhitzungen auszuschließen. Ein von Epcos entwickelter Anschraub-Temperatursensor ist für hohe Anforderungen wie Feuchte, Betauung und mechanischen Stress optimiert und für den Einsatz in Serienfahrzeugen validiert. Dieser Sensor (Bild 2) besteht aus einem robusten und feuchtebeständigen Gehäuse, in dem das NTC-Element eingebettet ist. Er wird über eine Metallringzunge einfach an einer Batterieoberfläche montiert und sicher befestigt. Auch eine Montage durch Roboter ist möglich. In der Standardausführung ist der Anschraubsensor zum Messen der Batterietemperatur mit einem Widerstandswert von 10 kΩ bei 25 °C spezifiziert. Dieser Widerstandswert sowie die Kennlinie des NTC-Temperatursensors lassen sich kundenspezifisch anpassen. Standardmäßig erstreckt sich der Messbereich von -40 °C bis +85 °C.

Überwachung von Kühlmedien ist ein Muss

Bild 2: Der EPCOS NTC-Batteriesensor zeichnet sich durch eine Langzeitbeständigkeit gegen Feuchte aus, ist einfach zu montieren und kann kundenspezifisch angepasst werden.

Bild 2: Der Epcos NTC-Batteriesensor zeichnet sich durch eine Langzeitbeständigkeit gegen Feuchte aus, ist einfach zu montieren und kann kundenspezifisch angepasst werden. TDK Electronics

Über die Temperatur des Kühlmittels lässt sich der Betriebszustand der Batterie ermitteln. Diese Temperatur kann zuverlässig mit Rohranlegefühlern gemessen werden, die auch als Clip-on Sensors bekannt sind. Montiert werden diese Sensoren am Kühlmittelein- und -auslass. Aufgrund der externen Anbringung an den Kühlmittelleitungen ist keine weitere Abdichtung gegenüber dem Kühlmedium notwendig. Außerdem ist die Rohrgestaltung und Sensormontage dadurch flexibel gegenüber einer Lösung mit definiertem Montageloch. TDK bietet hierfür ein breites Spektrum an Lösungen, die Kunden in ihren Geometrien und elektrischen Parametern individuell anpassen können.

Die NTC-Rohranlegefühler ist die Kombination des Sensors mit einem Fixierungselement. So können Entwickler den Sensor an einem Rohr montieren, wodurch die Verbindung von Sensor und Rohr sicher und vibrationsbeständig ist. Ein modularer Sensoraufbau ermöglicht es, den Sensor an unterschiedlichen Rohrdurchmessern zu montieren (Bild 3).

Um die Langzeitstabilität des Sensorsystems des Kühlkreislaufs zu gewährleisten, wurde besonderes Augenmerk auf die verwendeten Materialien gelegt. Das Clipmaterial bietet eine gute Komptabilität zum Rohrmaterial. Eine geschlossene Metallhülse, die am Metallrohr des Kühlkreislaufs anliegt, führt in Kombination mit den thermischen und elektrischen Eigenschaften des darin vergossenen NTC-Elements zu kurzen Ansprechzeiten.

Bild 3: Rohranlegefühler von TDK eignen sich für verschiedene Rohrdurchmesser, sind einfach zu montieren und weisen kurze Ansprechzeiten auf.

Bild 3: Rohranlegefühler von TDK eignen sich für verschiedene Rohrdurchmesser, sind einfach zu montieren und weisen kurze Ansprechzeiten auf. TDK Electronics

Im Fokus ist auch die Widerstandsfähigkeit des Sensorsystems gegenüber Frost sowie hohen Temperaturen bei gleichzeitig hoher Luftfeuchtigkeit. Bei sinkenden Temperaturen kann am Fahrzeug und damit auch am Sensor eine Kondensation oder Betauung erfolgen. Hier bewährt sich das bereits in anderen Sensoren eingesetzte Design mit Kunststoffumspritzung, um entsprechenden Schutz zu bieten. Ebenso können Anwender das Sensorsystem zur Erleichterung von etwaigen Wartungsarbeiten vom Rohr abmontieren und wieder aufmontieren.

Hochspannungsfeste Busbar-Sensoren für die Leistungselektronik

Eine direkte Temperaturmessung an den Stromschienen von Elektrofahrzeugen ermöglicht eine energieeffiziente Steuerung und hilft Betriebsspitzen zu vermeiden, die die Lebensdauer des Fahrzeugs verkürzen können. Allerdings erfordert diese Aufgabe hohe Spannungsfestigkeit und Temperaturgenauigkeit der Sensoren. Viele am Markt angebotene Sensoren spezifizieren dazu lediglich den Auslieferzustand der Sensoren. Dies ist jedoch bei weitem nicht ausreichend, da sich entscheidende Performance Parameter über die Lebensdauer verschlechtern können. Um zum Beispiel Schädigung der Steuergeräte zu vermeiden muss die Spannungsfestigkeit auch während der bekannten Lebensdauerbelastungen im Auto gehalten werden.

Bild 4: Der neue TDK Busbar-Sensor zeichnet sich neben seiner Langzeitstabilität durch eine hohe Spannungsfestigkeitsklasse aus.

Bild 4: Der neue TDK Busbar-Sensor zeichnet sich neben seiner Langzeitstabilität durch eine hohe Spannungsfestigkeitsklasse aus. TDK Electronics

Speziell für die Montage auf Stromschienen, auch Busbars genannt, wurde ein neuer Sensor mit hoher Langzeitstabilität entwickelt (Bild 4). Ausgelegt ist der TDK NTC-Sensor für einen Temperaturbereich von -40 °C bis +150 °C, wobei eine kurzzeitige Belastung bis zu 200 °C zulässig ist. Bei 25 °C beträgt der Nennwiderstand 10 kΩ mit einem B25/100-Wert von 3625 K mit einer Toleranz von ±1 Prozent.

Der Sensor wurde klimatisch, chemisch und mechanisch nach den Lebensdauertests der LV124 geprüft und erreicht dabei eine Spannungsfestigkeitsklasse H3 gemäß LV123, die 2,5 kV DC.

Die Anschlussleitungen des neuen Temperatursensors erfüllen den LV112-4-Standard für elektrische Leitungen in Kraftfahrzeugen und sind zur Verbesserung des EMV-Verhaltens verdrillt. Zur Montage verfügt der Sensor über eine M4-Anschraublasche aus einer Kupferlegierung. Darüberhinaus bietet diese Materialauswahl eine gute thermische Anbindung und eine gute Materialkompatibilität zur Stromschiene aus Kupfer, wodurch Kontaktkorrosion vermieden wird.

Steckersysteme sicher überwacht

Bild 5: Dank der flachen Bauweise kann der TDK NTC-Temperatursensor der NTCRP-Serie sehr gut in Steckersysteme integriert werden.

Bild 5: Dank der flachen Bauweise kann der TDK NTC-Temperatursensor der NTCRP-Serie sehr gut in Steckersysteme integriert werden. TDK Electronics

Auch die Steckersysteme zwischen Ladesäule und Fahrzeug sind hohen Temperaturen beim Ladeprozess ausgesetzt. Für eine sichere Temperaturüberwachung sowie zur Vermeidung von Überhitzung sieht die Internationale Elektrotechnische Kommission vor, für Steckersysteme Mindestanforderungen an Temperatursensoren gemäß IEC TS 62196-3 1 DIN zu standardisieren. Aus diesem Grund sind Anforderungen für eine zuverlässige Messgenauigkeit mit hohen Temperaturtoleranzen an einem Temperatursensor unabdingbar. TDK entwickelte die NTCRP-Serie mit einem miniaturisierten Design für diese Anwendung (Bild 5). Das flache Sensorgehäuse ermöglicht eine optimale Anbindung des Sensors an die Oberfläche der Steckerkontakte und ist für Temperaturen von bis zu 200 °C ausgelegt.

Grundsätzlich ist einer der wichtigsten Faktoren für die weitere Entwicklung der Elektromobilität die Steigerung der Energieeffizienz. Hierbei leisten die NTC-Temperatursensoren aus dem TDK-Portfolio einen entscheidenden Beitrag, in dem sie präzise und langzeitstabile Temperaturmessungen ermöglichen. Damit können selbst die hohen Anforderungen an eine zuverlässige thermische Überwachung des gesamten Batterieladeprozesses erfüllt werden.