Ob bei der Aufladung der Batterie, der Beschleunigung des Elektromotors und/oder schnellen Schaltprozessen der ICs: 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 Zulieferindustrie, dass sie für ihre Produkte eine Lebensdauer von mindestens zehn 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 entwickeln sich 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 sind Temperaturgrenzen nicht mehr erreichbar und notwendige Sicherheitsmargen reduzieren die Leistung der Elektronik.

Platin-Dünnschichtsensoren sind hierfür die Lösung. Eine Platinschicht auf einem Aluminiumsubstrat sorgt für eine nahezu lineare 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 kommt aktuell in vier Anwendungsbereichen zum Einsatz.

Ladestecker: Sichere Energieübertragung

Vor allem aus sicherheitstechnischer Sicht ist das vorrangige Ziel der Optimierung der Ladezeiten an 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.

Bild 1: Platin-Dünnschichtsensoren helfen dabei, die Qualität und Zuverlässigkeit von Ladesteckern über einen langen Zeitraum zu sichern.

Bild 1: Platin-Dünnschichtsensoren helfen dabei, die Qualität und Zuverlässigkeit von Ladesteckern über einen langen Zeitraum zu sichern. Heraeus Nexensos

Platin-Dünnschichtsensoren haben sich als langzeitstabil erwiesen und bieten die notwendige Messgenauigkeit für die erwartete Lebensdauer (Bild 1). Die Eigenschaften der Platinsensoren in Bezug auf Driftstabilität, Ansprechverhalten und Präzision ermöglichen es, 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 mit einem 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 hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Temperaturinformationen für das Laden und Entladen müssen ohne nennenswerte Zeitverzögerung bereitstehen. Gleichzeitig werden Messungen direkt an der Zelle durchgeführt. Hier können Platin-Dünnschichtsensoren mit hoher Stabilität und geringer Drift punkten und das gesamte Arbeitspotenzial der Batterie nutzbar machen.

Bild 2: SMD-Temperatursensoren lassen sich mit selbstklebender Folie auf Flexboards positionieren und anschließen.

Bild 2: SMD-Temperatursensoren lassen sich mit selbstklebender Folie auf Flexboards positionieren und anschließen. Heraeus Nexensos

Temperatursensoren lassen sich zum Beispiel auf Flexboards positionieren und anschließen. Die Elemente können mit selbstklebender Folie direkt an den Hot Spots positioniert werden, um ein gutes Ansprechverhalten zu erreichen. Die Plug-and-play-Montage wird durch den Einsatz von AEC-Q200-konformen SMD-Chips in Kombination mit Standardsteckverbindern ermöglicht (Bild 2). Die Präzision der Platinsensoren und deren optimierte Kombination mit dem entsprechenden Design zur Integration sorgen für mehr Sicherheit, mehr Leistung und langfristig eine längere Lebensdauer.

Kontrolle der Leistungselektronik

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.

Bild 3: Die Platin-Temperatursensoren lassen sich kompakt und potenzialfrei direkt auf dem Substrat der Leistungselektronik positionieren.

Bild 3: Die Platin-Temperatursensoren lassen sich kompakt und potenzialfrei direkt auf dem Substrat der Leistungselektronik positionieren. Heraeus Nexensos

Platintemperatursensoren lassen sich so kompakt und potenzialfrei direkt auf dem Substrat der Leistungselektronik positionieren (Bild 3). Die Temperatur wird an der kritischen Stelle mit kurzer 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.

Der Elektromotor als treibende Kraft

Bild 4: Beim Einsatz am Elektromotor bietet eine semiflexible Gehäusetechnik dem Sensorelekment den notwendigen mechanischen Schutz.

Bild 4: Beim Einsatz am Elektromotor bietet eine semiflexible Gehäusetechnik dem Sensorelement den notwendigen mechanischen Schutz. Heraeus Nexensos

Der Elektromotor ist eine kritische Komponente, und das nicht nur, weil er sehr teuer ist. Motoren mit Permanentmagneten sowie Induktionsmaschinen erfordern ein hohes Schutzniveau, besonders bei Volllast. Temperaturüberlastungen sind über die gesamte Lebensdauer und auch bei zusätzlichen mechanischen Belastungen wie Vibrationen während der Fahrt zuverlässig zu vermeiden. 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 der Platin-Dünnschichtsensoren 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 (Bild 4). Die eingesetzte Platin-Dünnschichtsensorik hat sich als sehr stabil erwiesen und hält die notwendige Messgenauigkeit über die gesamte Lebensdauer des Elektromotors aufrecht. Eine Vielzahl von verfügbaren Montageoptionen bietet Freiräume im Designprozess, einschließlich der Möglichkeit den Sensor innerhalb des Motorgehäuses zu positionieren, was zu kürzeren 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 eine gute 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. 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.