Der globale Automarkt erlebt einen umfassenden Wandel hin zu Elektrofahrzeugen. Bisher konnten verbesserte Antriebsstränge von Verbrennern (Internal Combustion Engine/ICE) die Emissionsvorschriften erfüllen. Doch strengere Emissionsvorschriften, die steigende Bedeutung von Komforttechnologien und das autonome Fahren haben die Elektrifizierung von Automobilen vorangetrieben. Mit zunehmender Anzahl der elektronischen Einheiten in einem Fahrzeug steigt auch dessen Stromverbrauch. Diesen Bedarf decken höhere Batteriespannungen und effiziente Stromversorgungssysteme. Entdecken Sie die Hochvolt-MLCCs von Samsung Electro-Mechanics für moderne Antriebsstränge von E-Autos im obigen Tech-Snack-Video. In diesem Artikel beleuchten wir Hochvoltanwendungen für Elektrofahrzeuge.
Fahrzeugelektrifizierung und Batteriespannungen
Die Erhöhung der Batteriespannung steht in direktem Zusammenhang mit dem Trend zur Elektrifizierung. Um den Trend der Elektrifizierung zu verstehen, werfen wir zunächst einen Blick zurück auf die Entwicklung der Spannung von Kraftfahrzeugbatterien. Vor der Mitte der 1950er Jahre lag die Betriebsspannung von Kraftfahrzeugen bei 6 V. Seit dieser Zeit ist der Hubraum der Motoren gewachsen, sodass größere elektrische Anlasser erforderlich wurden. Um der größeren Zahl an elektronischen Geräten gerecht zu werden, wurde das 12-V-System zum Standard. Früher benötigten die Kraftfahrzeuge nur eine kleine Batterie, um den Motor anzudrehen und das Radio zu speisen.
Aufgrund der kontinuierlich zunehmenden Zahl an elektronischen Komponenten stieg auch der Strombedarf. Um diesem Problem zu begegnen, wurde die Einführung einer höheren Spannung als 12 V diskutiert, damit das elektrische System den höheren Bedarf erfüllen kann. In den 1990er Jahren wurden 42-V-Systeme entwickelt und 2011 machten die deutschen Kraftfahrzeughersteller 48 V zum Standard. Seit dieser Zeit werden in Hybrid- und Elektrofahrzeugen höhere Spannungen verwendet. Leistung (Watt) ist Spannung (V) × Strom (A). Es ist effizienter, die Spannung (anstelle des Stroms) zu erhöhen, um mehr Leistung zu erreichen. Für höhere Ströme werden Kabel mit größerem Durchmesser benötigt und auch die Steckverbinderpins müssen angepasst werden. Beides wirkt sich auf die Kosten der Hardware aus. Deshalb wird die Spannung erhöht, nicht der Strom.
Höhere Batteriespannung, 48-V-Mildhybridsystem
Der Hauptgrund für die Durchsetzung des 48-V-Systems in den 2010er Jahren waren die Emissionsvorschriften. Kraftfahrzeughersteller, die Verbrennungsmotoren fertigten, mussten die vorgeschriebenen Emissionsziele erreichen und zu diesem Zweck den Kraftstoffverbrauch durch verbesserte Antriebsstränge optimieren. Mildhybrid (MHEV) gilt als einfaches und kostengünstiges Hybridsystem. Kraftfahrzeughersteller bevorzugten MHEV, weil das System einfach zu produzieren ist. Das MHEV-System wird hergestellt, indem ein vorhandener Antriebsstrang mit Verbrennungsmotor um ein 48-V-System ergänzt wird. Die Emissionen lassen sich so zu deutlich niedrigeren Kosten als bei einem Vollhybrid senken. Bleibt aber die Frage, warum die Entscheidung für ein 48-V-System fiel? In vielen Ländern gilt 60 V als die Grenze, bis zu der für den menschlichen Körper ungefährliche Niederspannung vorliegt. Zudem haben Telefonleitungen bereits seit 100 Jahren 48-V-Systeme genutzt. Dies unterstreicht die Sicherheit des Einsatzes von 48-V-Systemen in Kraftfahrzeugen.
Hochspannungsanwendung im Elektrofahrzeug
Im Grundsatz besteht der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs aus Hochspannungsbatterie, Wechselrichter und Elektromotor. EV-Antriebsstränge benötigen Hochspannung. Die Effizienz eines Elektrofahrzeugs ist an die Effizienz des DC/DC-Wandlers gekoppelt. Elektrofahrzeuge verfügen über verschiedene Stromwandlungsvorrichtungen wie LDC, OBC und Wechselrichter. Es werden verschiedene DC/DC-Wandlertopologie umgesetzt, um entsprechende Anwendungen zu integrieren. OBC (On-Board Charger) und LDC (Low-Voltage DC/DC Converter) werden im Hinblick auf die Systemintegration entwickelt und haben den Vorteil einer geringeren Anzahl von Komponenten und eines geringeren Platzbedarfs.
MLCC-Hochspannungsstruktur für garantierte Zuverlässigkeit
Inwiefern unterscheidet sich die Struktur von Hochspannungs-MLCC von der allgemeiner MLCC? Die Zuverlässigkeit muss in Hochspannungsumgebungen gewährleistet sein. Bei MLCC, die in Hochspannungsanwendungen zum Einsatz kommen, besteht die Gefahr eines Lichtbogenüberschlags mit der Folge eines Kurzschlusses im MLCC. Unter Hochspannung entsteht ein starkes elektrisches Feld um den MLCC, das die umgebende Luft ionisiert. Besonders konzentriert ist das elektrische Feld an den beiden Anschlüssen des MLCC. Wenn die Stärke des elektrischen Felds die Einsatzspannung der ionisierten Luft übersteigt, treten Lichtbögen auf, die schließlich zu einem Kurzschluss im MLCC führen. Dieses Phänomen wird durch Abschirmungen im MLCC verhindert.
Mittels einer Blindlage wird die Kurzschlussgefahr bei einem Riss im MLCC reduziert. Dieser Aufbau bietet sich aber auch für Hochspannungsprodukte an. Die Blindlage verteilte Spannung so, dass die Spannung im Inneren des MLCC nur halb so groß wie die an den Anschlüssen anliegende Spannung ist. Wenn also an beiden Enden des MLCC 1000 V angelegt werden, liegen bei Verwendung der Blindlage nur 500 V (also die Hälfte von 1000 V) an der dielektrischen Schicht des MLCC an. Dies bietet vom Standpunkt der Zuverlässigkeit den Vorteil, dass das zwischen den dielektrischen Schichten anliegende elektrische Feld schwächer ist. Spannung und Temperatur sind die für die Lebensdauer des MLCC in erster Linie relevanten Faktoren.
MLCC-Hochspannungsprodukte kennenlernen
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