Auswahl von Multilayer-Keramikkondensatoren für den Einsatz in Elektrofahrzeugen

Verbreitung von ELEKTRISCHEN FAHRZEUGEN

 

Der Weltmarkt für Elektrofahrzeuge (EV) explodiert derzeit sowohl im Hinblick auf die Nachfrage, als auch auf die allgemeine Akzeptanz, da die Regierungen eine immer höhere Kraftstoffeffizienz fordern und die Automobilunternehmen nach neuen Absatzmöglichkeiten suchen. Führende Hersteller - wie General Motors, Toyota und BMW - planen ein „attraktives Angebot von 400 Modellen und erwarten Absatzzahlen von bis zu 25 Millionen bis 2025". Für EV-Entwicklungsingenieure und Einkäufer ist dieser Trend hin zu einer zunehmenden Elektrifizierung mit der Herausforderung verbunden, innovative Komponenten zu finden, die sich für hohe Temperaturen, Spannungen und Leistungen eignen, ohne dass dabei die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Baugröße beeinträchtigt wird.

 

Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) werden auf Grund der Eignung für hohe Temperaturen, der kleinen Baugrößen und der einfachen Oberflächenmontage gerne in der Elektronik und den Subsystemen von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Mit diesem Whitepaper möchten wir Sie bei der Auswahl geeigneter Kondensatoren für Ihr EV-Projekt unterstützen. Nachfolgend werden die wichtigsten Aspekte und Zertifizierungen für EV-Komponenten, häufige Anwendungsbereiche in EV-Subsystemen und die Anforderungen für spezielle Anwendungen betrachtet.

Bild - Bei der Auswahl geeigneter MLCCs für Automotive-Anwendungen sind die Spezifikationen, Zertifizierungen, Preise und Verfügbarkeit sowie viele andere Kriterien zu berücksichtigen.

 

ANFORDERUNGEN AN KONDENSATOREN FÜR DEN EINSATZ IM AUTOMOTIVEBEREICH

 

MLCCs sind ein wichtiger Baustein in Steuerelektronik. Um sich für den EV-Markt zu qualifizieren, müssen sie allerdings spezielle Anforderungen erfüllen. Zu den wichtigsten Kriterien gehören:

 

  • Hochspannung: EV-Systeme basieren auf Hochspannungsbatterien, so dass die Kondensatoren für höhere Spannungen von 250 V bis 400 V bei Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEVs), 800 V bei Nutzfahrzeugen und 48 V bei Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) geeignet sein müssen.
  • Hohe Leistung: Um mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, die sich in wenigen Minuten auftanken lassen, mithalten zu können, konzentrieren sich die Unternehmen momentan sehr stark auf extrem schnelle Ladelösungen. Dazu gehören auch EV-Systeme für höhere Leistungen (größer als 3,3 kW) und eine direkte Aufladung über das Stromnetz.
  • Reduzierung der Größe: Die Größe und das Gewicht des Fahrzeugs hat einen direkten Einfluss auf die Energieeffizienz. Deshalb hat die Reduzierung der Baugröße von EV-Subsystemen (und der beteiligten Komponenten) eine hohe Priorität. Kondensatoren müssen deshalb eine hohe Leistung bei kleineren Abmessungen bringen.
  • Hohe Temperatur: Durch die Kombination von höheren Spannungen, höheren Wandler-Frequenzen und kleineren Bauformen ergeben sich hohe Betriebstemperaturen, die Standardteilen Probleme bereiten können. Die Komponenten müssen für die entsprechenden Temperaturbereiche spezifiziert sein und unter diesen Bedingungen problemlos funktionieren.
  • Hohe Zuverlässigkeit: Kondensatoren für den Automotivebereich müssen sehr robust sein. Für besonders anspruchsvolle Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit und mechanische Leistungsfähigkeit erfordern, werden spezielle Eigenschaften entwickelt.

 

 Die Bauteilhersteller, mit denen Sie zusammenarbeiten, sollten aufgrund der spezifischen Zertifizierungen gemäß IATF 16949-zertifiziert sein. Diese von der International Automotive Task Force (IATF) veröffentlichte technische Spezifikation für das Qualitätsmanagement legen unternehmensweite Richtlinien, Prozesse und Dokumentationsanforderungen für die Automotive-Supply-Chain fest. IATF 16949 stellt sicher, dass zertifizierte Bauteilhersteller ein optimales Qualitätsniveau erfüllen, wenn sie Automotive-Komponenten für Tier-1-Zulieferer und OEMs produzieren.

 

Eine weitere wesentliche Voraussetzung ist die Konformität zur AEC-Q200 Stresstest-Qualifikation für passive Bauteile, die vom Automotive Electronics Council (AEC) Component Technical Committee definiert wurden. Durchlaufen die Kondensatoren die strengen thermischen, mechanischen und anderen Belastungstests gewährleistet der Standard den entscheidenden Unterschied zwischen Automotive- und Standardkondensatoren. Ein schlechtes, mechanisches Design und minderwertiges Material können zu Bauteildefekten oder Kurzschluss führen, dagegen werden AEC-Q200-qualifizierte MLCCs speziell im Hinblick auf eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit hergestellt und eignen sich somit auch für härteste Einsatzbedingungen im Automotivebereich.

 

Die Tabelle 1 zeigt einen Überblick über die bei Knowles Precision Devices (KPD) regelmäßig durchgeführten AEC-Q200-Tests bei Kondensatoren für den Automotivebereich.

 

Tabelle 1: Bei Kondensatoren für den Automotivebereich regelmäßig durchgeführte AEC-Q200-Tests von Knowles Precision Devices (KPD)

(P = Zeitraum in Monaten, N = Stichprobenumfang, C = Annahmekriterien)

 

 

 

 

Bild 1. Hauptsubsysteme von EVs und PHEVs

 

 

 

GÄNGIGE MLCC-ANWENDUNGEN IN ELEKTROFAHRZEUGEN

 

Über die generellen Bedingungen für MLCCs für Automotive-Anwendungen hinaus gibt es auch spezielle Kondensatoranforderungen für die wichtigsten elektrischen Subsysteme in einem EV. Bild 1 zeigt eine Übersicht der nachfolgend betrachteten fünf Subsysteme, sowie der meist in diesen Systemen verwendeten MLCC-Typen.

 

BATTERIEMANAGEMENTSYSTEM (BMS)

 

Die Aufgabe eines BMS besteht darin die einzelnen Zellen innerhalb eines Hochspannungsbatteriestacks zu überwachen und zu steuern. Primäre Funktionen umfassen:

· Spannung, Strom, Temperatur und generelle Bedingung der Batteriezellen überwachen.

· Ermittlung von Diagnosedaten für die Batteriebaugruppe mit integriertem BMS

· Steuerung des Stroms zwischen den Zellen (auch als Zellausgleich/Cell Balancing bezeichnet)

· Schutz der Batterie vor Überladung und Tiefentladung

 

Sicherheitszertifizierte Kondensatoren werden normalerweise am Eingang und Ausgang der wichtigsten Funktionsblöcke (wie dem BMS) eingesetzt, um die Effekte von elektromagnetischen und Funkstörungen (EMI/RFI) zu unterdrücken. Wie im Bild 2 dargestellt, werden Sicherheitskondensatoren der Klasse Y am Hochspannungsbus und Sicherheitskondensatoren der Klasse X bei jedem Zellmodul zum Schutz vor EMI-Störungen eingebaut. Zudem bieten sie einen Schutz vor Leckstrom bei Hochspannungssystemen über die Isolationswiderstand-Überwachung mit einer RC-Schaltung.

 

 

Bild 2. Vereinfachter Schaltplan einer Hochspannungsbatteriebaugruppe mit integriertem BMS

 

Kondensatoren der Klassen X und Y sind meist als Keramik- oder Folienkondensatoren zur RFI/EMI-Unterdrückung verfügbar. In Anbetracht der hohen Temperaturen und der Größenanforderungen für diese Subsysteme sind MLCCs die einzige brauchbare Möglichkeit für den Einsatz in einem BMS, die unter diesen Betriebsbedingungen nicht wegschmelzen. Die Kunden von Knowles Precision Devices setzen vor allem die folgenden MLCCs in BMS ein:

 

· 0805-1210 1 kV - 2 kV 100 pF - 10 nF X7R (2R1) Kondensatoren (optional als Open-Mode-Typ)

· 0805-1206 50 V - 100 V 15 nF 100 nF X7R Kondensatoren (optional als Open-Mode- oder Tandem-Typ)

· 2306-2220 1 kV - 4 kV 100 pF - 10 nF X7R Kondensatoren (optional sicherheitszertifiziert oder als Open-Mode-Typ)

· 2220 630 V 1 μF X7R Kondensator

 

Bild 3. Größenvergleich von einem 400 VDC 1 μF Polypropylen (PP) Folienkondensator und einem 630 VDC 1 μF MLCC-Kondensatoren

 

 

 

ON-BOARD-LADEGERÄT (OBC)

 

Das OBC hat die Aufgabe die Traktionsbatterie zu laden, gewöhnlich in einem Bereich von 48 V bis 800 V. Die Funktionen des OBC umfassen:

 

· Umwandlung von Wechselstrom (AC) aus dem Stromnetz in Gleichstrom (DC) zum Laden der Batterie des Fahrzeugs

· Bereitstellung einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC), um den Eingangsstrom der Stromversorgung zu formen, zur Maximierung des Wirkungsgrads und Reduzierung von Oberschwingungen

· Anpassung der erzeugten Gleichspannung nach oben oder unten, um den richtigen Spannungspegel für die Batterie sicherzustellen

 

Bild 4a. Vereinfachtes Blockschaltbild einer AC/DC-Stufe eines OBC

 

Bild 4b. Schwingkreis (oder Oszillatorschaltung) im Resonanzsystem eines Gleichspannungswandlers

 

Um diese Aufgaben erfüllen zu können, enthält ein OBC die folgenden primären Funktionsblöcke (mit entsprechenden Kondensatoren für jede Schaltung):

 

 

OBC Funktionsblöcke

Kondensatoranforderungen

Empfohlene
Kondensatoren

1

EMI-Filter (oder Netzfilter)

Sicherheitszertifizierte Kondensatoren werden genutzt, um Störungen auf der AC-Seite zu absorbieren. Diese müssen deshalb eine hohe Zuverlässigkeit haben und den jeweiligen Sicherheitsvorschriften (z.B., UL, CSA, VDE) entsprechen.

2220 X1/Y2 1 nF - 10 nF X7R B162

2

PFC-Schaltung

Der PFC-Eingangskondensator Cs (siehe Bild 4a) glättet die pulsierenden Gleichspannungen vom Gleichrichter und muss deshalb eine vergleichsweise hohe Kapazität haben.

StackiCap mit hoher Kapazität /

MLCCs mit kleiner Baugröße wie

205 V-2 kV 0,1 μF - 1 μF X7R mit

FlexiCap-Terminierung

3

Gleichspannungszwischenkreis zwischen den AC/DC- und DC/DC-Wandlern

Der DC-Zwischenkreis-Kondensator Cbulk (siehe Bild 4a) muss für die doppelte Netzfrequenz ausgelegt sein. Gängige Schaltungen enthalten keramische Kondensatoren, die parallel zu anderen Kondensatortechnologien verschaltet werden, um das zu erreichen.

StackiCap MLCCs mit niedrigem Serien-Ersatzwiderstand (ESR) und hoher EffektivwertStrom-Kapazität (RMS) wie 1812-4040 250 V - 1,2 kV 100 nF - 5,6 μF X7R

4

DC/DC-Wandler

Eine Art der DC/DC-Topologie wird als LLC-Wandler bezeichnet. Dieser nutzt einen Resonanz-Kondensator Cr (siehe Bild 4b), um einen in Serie oder in Reihe geschalteten Schwingkreis auf eine Betriebsfrequenz im Bereich von mehreren Hundert kHz abzustimmen.

Der Ausgangs-Filterkondensator Cout (siehe Bild 4b) unterdrückt die Brummstörungsanteile des AC-Stroms und glättet die Ausgangsspannung des Wandlers.

MLCCs mit stabiler Kapazität, enger Toleranz und niedrigen Verlusten, um eine Überhitzung zu verhindern, wie 500 V - 1 kV 4,7 nF - 39 nF C0G

MLCCs mit hoher Kapazität wie 250 V - 2 kV nF - μF, die parallel zu Aluminiumelektrolyt-Kondensatoren geschaltet werden

 

 

Die Hersteller bieten mittlerweile auch bidirektionale OBCs an, welche auch der Fahrzeugbatterie Energie entnehmen und diese wieder zurück ins Stromnetz einspeisen können. In bidirektionalen OBCs werden mehr MLCC-Bauteile benötigt.

 

DC/DC-WANDLER

 

Das DC/DC-Wandler-Subsystem in Elektrofahrzeugen wird benötigt, um Energie zwischen der Hochvolt-Batterie und den Niederspannungssystemen (z.B. 12 V) zu übertragen. Das Hochspannungssystem des Fahrzeugs versorgt große Lasten wie den Traktionsmotor, die Klimaanlage und den Starter. Das Niederspannungssystem dient dagegen für Komponenten, wie Infotainment-Systeme, Sensoren und Sicherheit.

 

Bild 5 und Tabelle 3 zeigen zwei Arten von Kondensatoren, die in DC/DC-Wandlern zum Einsatz kommen:

 

 

Bild 5. Schaltplan für ein isoliertes DC/DC-Wandler-Subsystem

 

Tabelle 3

 

 

Kondensatoranforderungen

Empfohlene KPD Kondensatoren

1

Die EMI-Filter- oder Eingangskondensatoren C1 und C2 werden zur Unterdrückung von Störsignalen genutzt und müssen eine sehr hohe Kapazität aufweisen.

StackiCap 1812-3640 250 V-1,2 kV 100 nF-1 μF X7R

2

Der Primär-Sekundär-Koppelkondensator C3 verbindet die Masseleitungen auf der Primär- und Sekundärseite, um Gegentaktstörungen auf der Sekundärseite zu reduzieren, die durch Schaltstörungen auf der Primärseite verursacht werden. Die Hochspannungsspezifikation des Kondensators der Klasse Y muss der Isolationsspannung des Transformators entsprechen.

Sicherheitszertifizierter Kondensator der Klasse Y2 12061812 1 kV - 2 kV 2,2 nF - 4,7 nF MLCC

 

 

Wie beim BMS-Subsystem sind keramische Kondensatoren (anstatt Folienkondensatoren) zu empfehlen, die für die hohen Betriebstemperaturen des Gleichspannungswandlers besser geeignet sind.

 

Wechselrichter

 

Wechselrichter wandeln die DC-Leistung der Batterie in dreiphasige AC-Leistung für die Ansteuerung der Traktionsmotoren um. Zu den wichtigsten Leistungskennzahlen für Wechselrichtersysteme gehören die elektrische Leistungsfähigkeit, Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und die thermische Leistung. Typische Motorsteuerfunktionen umfassen:

 

· Umwandlung von DC in AC bei der Beschleunigung und von AC in DC beim Bremsen

· Ansteuerung der IGBT-Leistungsstufen (Insulated-gate bipolar Transistor)

· Erfassung der Geschwindigkeit und Position des Motors

· Diagnose und Handling von möglichen Problemen, um einen Ausfall des Wechselrichters zu vermeiden

 

Bild 6 und Tabelle 4 zeigen zwei Arten von Kondensatoren, die in Umrichter-Subsystemen verwendet werden:

 

Bild 6. Umrichterschaltung in einer Motorsteuerung

 

Tabelle 4:

 

 

Kondensatoranforderungen

Empfohlene KPD Kondensatoren

1

Der DC-Zwischenkreis- oder Glättungskondensator Cs wird zwischen der DC- (Batterie) und AC-Seite (Last) des Spannungswechselrichters eingebaut. Wegen der erforderlichen hohen Kapazität können kleine MLCCs zusammen mit Folien- und Aluminiumelektrolytkondensatoren verwendet werden, um näher am IGBT-Schaltelement zu sein und damit eine bessere Hochfrequenz-Dämpfung zu erreichen.

StackiCap Class 2 Dielektrikum 1812-4040 250 V - 1,2 kV

100 nF - 5,6 μF X7R mit hoher RMS-Stromkapazität

2

Der Snubber-Kondensator Csnub schützt das Leistungsschaltmodul durch das Absorbieren von Störungen, die durch den Betrieb mit einer hohen Frequenz von 100 - 300 kHz verursacht werden. Ein PIM-Modul (Power integrated Module), das eine 3-phasige Last steuert, enthält mindestens 6 IGBTs und erfordert 6 Snubber-Kondensatoren, um die schaltenden Halbleiter zu schützen.

630 V-2 kV nF - μF C0G oder X7R mit hoher Spannungsfestigkeit, niedrigem ESR, geringer Selbstaufheizung und hoher Leistungskapazität

 

 

PTC-HEIZUNGSSTEUERUNG

 

Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, die den Fahrzeuginnenraum mit der Abwärme des Verbrennungsmotors heizen können, werden in EVs Hochspannungs-PTC-Heizsysteme als Wärmequelle in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage (HVAC) verwendet. PTC-Heizsysteme sorgen nicht nur für komfortable Temperaturen im Fahrzeuginnenraum, sondern gewährleisten auch eine optimale Betriebstemperatur der Batterien, so dass das Auto auch im kalten Wetter problemlos starten und geladen werden kann. PTC-Heizsysteme nutzen spezielle Materialien, die im kalten Zustand einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufweisen, so dass ein hoher Strom fließt und Wärme erzeugt wird. Mit zunehmender Temperatur steigt der Widerstand des PTC-Materials. Diese Eigenschaft stellt quasi eine automatische Sicherheitsfunktion dar, die den Stromfluss begrenzt und eine Überhitzung verhindert. Zu den in diesem Subsystem verwendeten Kondensatoren gehören:

 

Tabelle 5:

 

Kondensatoranforderungen

Empfohlene KPD Kondensatoren

1

Die Stromversorgungsschaltung (PSU) im Controller erfordert Hochspannungskondensatoren als Snubber- und Isolationskondensatoren zwischen Primär- und Sekundärkreis.

1206-3640 1 kV - 2 kV 1 nF - 1 μF X7R

2

Filterkondensatoren der Klasse X und Y werden am Eingang der Hochspannungs-PTC-Schaltung genutzt und dienen als EMI-Filter und zur Unterdrückung von Störungen.

Y2/X1 1812-2220 630 V - 2 kV 100 nF - 1 μF X7R

 

 

 

KRITERIEN FÜR DIE AUSWAHL EINES MLCC-ANBIETERS

 

Nicht nur die Auswahl der richtigen Kondensatoren ist wichtig, sondern auch die eines geeigneten Anbieters, der die Problematik der Hochspannungen in Elektrofahrzeugen versteht. Automobilexperten arbeiten normalerweise mit Anwendungen im Bereich von 12 V oder 24 V, wohingegen in EVs mittlere bis hohe Spannungen von 250 V bis 800 V vorliegen. Ein erfahrener Anbieter kann Sie bereits sehr frühzeitig im Forschungs- und Design-Prozess unterstützen, so dass sich kostspielige Fehler wie ein elektrischer Überschlag und Kriechströme vermeiden lassen.

 

Mit einer Erfahrung und Expertise von insgesamt mehr als 200 Jahren gehört Knowles Precision Devices weltweit zu den führenden Anbietern von Kondensatoren der Marken Syfer, Novacap, Dielectric Laboratories (DLI) und anderen Markennamen. Wir unterstützen unsere Kunden seit vielen Jahren bei anspruchsvollen Anwendungen - wie Automotive, Militär, Luft- und Raumfahrt sowie Medizintechnik - wo es auf höchste Leistung und Zuverlässigkeit ankommt. Expertenteams helfen auch bei der Lösung schwieriger Herausforderungen, finden Bauteile, die selbst anspruchsvollste Spezifikationen erfüllen und liefern Produkte und Lösungen mit kurzer Durchlaufzeit.

 

Die AEC-Q200-qualifizierten MLCCs von Knowles sind ideal für den EV-Automobilmarkt geeignet, da eine umfassende Palette von Hochspannungs-, Hochkapazitäts- und Miniatur-Keramikkondensatoren angeboten wird. Mit der einzigartigen Nass-Prozess-Produktionstechnik können kürzeste Durchlaufzeiten und eine höchste Flexibilität gewährleistet werden und Kunden auch mit kurzfristigen Lieferungen unterstützt werden. Sprechen Sie mit uns über Ihre Anwendungen, wir können Ihnen helfen den richtigen Kondensator für Ihr Projekt zu finden.

 

ÜBER KNOWLES PRECISION DEVICES

 

Knowles Precision Devices produziert Multilayer-, Hochzuverlässigkeits-, Einschicht- und Präzisionsdrehkondensatoren, sowie EMI-Filter und Mikrowellenkomponenten. Mit Hauptsitz in Itasca, Illinois, beschäftigt das Unternehmen weltweit rund 8.500 Mitarbeiter in 30 Standorten und verfügt über Design-Zentren in Europa, Asien und Nordamerika. Durch beträchtliche Investitionen in Forschung und Entwicklung kann Knowles agil und effizient handeln und den Kunden bahnbrechende Technologien und kostengünstige Produkte auch in hohen Stückzahlen anbieten.

 


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