Envalior präsentiert Best Practices zur Erhöhung von Sicherheit und Zuverlässigkeit in Elektrofahrzeugen auf der 2023 SPE EAV Konferenz

Die Society of Plastics Engineers (SPE) veranstaltete im April 2023 in Troy, Michigan, die Electric & Autonomous Vehicle (EAV) Konferenz. Keith Kauffmann, Application Development Engineer für Envalior, ehemals Envalior und Lanxess Performance Materials, hielt während der dreitägigen Konferenz mit über 700 Branchenexperten eine Präsentation zum Thema Next Gen Materials zur Erhöhung von Sicherheit und Zuverlässigkeit im elektrischen Antriebsstrang.

Kauffmanns Vortrag konzentrierte sich darauf, wie Elektrofahrzeuge (EVs) einen Wandel der erforderlichen Leistung von technischen Thermoplasten und die laufende Forschung und Entwicklung bei Envalior zur Entwicklung von Materialien, die den Performance-Anforderungen von EV-Anwendungen entsprechen.

Neue Anwendungen und Trends eröffnen neue Chancen in der Branche

Mit dem Übergang der Branche vom Verbrennungsmotor (ICE) zum Elektrofahrzeug (EV) findet eine Transformation der Antriebsarchitektur und der Energieversorgung – von Benzin zu Laden – statt. Da Batteriepakete, Antriebsmotoren und Hochvolt-Steckverbinder zu den Hauptkomponenten des EV-Antriebsstrangs werden, ergeben sich technische Auswirkungen auf die eingesetzten Materialien in all diesen Anwendungen, wie z. B.:

• Ein Rückgang der gesamten Betriebstemperatur von Fahrzeugen bei EVs, was zu einer Reduktion der oxidativen Schädigung von Bauteilen durch hohe Temperaturen führt
• Längere Expositionszeiten gegenüber Wasser/Glykol-Gemischen, da Batteriepakete in der Regel auch nach dem Fahrbetrieb eine kontinuierliche Kühlung benötigen
• Verringerte Bedenken hinsichtlich Verschleiß und Reibung – es treten weiterhin Verschleiß und Reibung bei EVs mit Motoren und Lagern auf, jedoch in geringerem Ausmaß als bei ICE-Technologie
• Reduktion traditioneller Öle, wie beispielsweise Motorenöle zur Schmierung, die bislang eine Ölbeständigkeit von Kunststoffkomponenten im Antriebsstrang erforderten.
• Zunahme beim Einsatz von Ölen zur Kühlung von E-Motoren mit hoher Leistungsdichte

Weitere technische Herausforderungen für EVs beinhalten den Bedarf an Materialien mit hohem CTI (Comparative Tracking Index) sowie einer erhöhten elektrischen Isolationsfähigkeit aufgrund von Hochvolt-Batteriesystemen.

Die Trends gehen zu höheren Ladegeschwindigkeiten und einem Wechsel von Niederspannungs- zu Hochvolt-Plattformen, von 400 V auf 800 V und mehr. Dies führt zu höheren Isolationsanforderungen und effizienterer Kühlung.

Niedrigere Stromstärken reduzieren die Verlustleistung durch Wärmeund ermöglicht es, die maximale Ladegeschwindigkeit über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Eine der effektivsten Methoden, die Ladegeschwindigkeit zu erhöhen, ist die Steigerung der Spannung anstelle des Stroms. Daher sehen wir zunehmend Batteriesysteme mit höheren Spannungen. Trotz aller Bemühungen, ein Gleichgewicht zwischen Strom und Spannung zur Optimierung der Ladeleistung zu finden, kann Schnellladen zu einer erhöhten lokalen Erwärmung führen, die eine Kühlung und hochisolierende Materialien erfordert“, erläuterte Kauffmann.

Ein weiterer Einfluss auf technische Trends ist die Notwendigkeit der Ölkühlung für Elektromotoren. Kunststoffbauteile innerhalb der Motoren müssen gegen E-Motorenöle mit langfristiger Exposition beständig sein.

„Beim Vergleich von Brennstoffzellen- und EV-Architekturen ergeben sich vielfältige Herausforderungen, die berücksichtigt werden müssen, darunter CTI vor und nach dem Altern, Ölalterung, elektrische Korrosion, langfristige Kühlmittelexposition“, ergänzte Kauffmann. „Es ist entscheidend, die Isolations- und mechanischen Eigenschaften beizubehalten, was ein Verständnis der Auswirkungen langfristiger Alterung über die relevanten Temperaturbereiche erfordert.“

Lösungsansätze für Rissbildung bei Thermoschock-Belastung von Hochspannungskomponenten

Eine der Hauptproblematiken bei umspritzen Sammelschienen ist die Rissbildung infolge von Thermoschock-Belastungen. Es ist entscheidend, Risse zu vermeiden, um Leckströme auszuschließen. Bei vielen dieser EV-Komponenten wird Kunststoff direkt auf Metall, typischerweise Kupfer, umspritzt. Während des thermischen Zyklus kann es aufgrund von Spannungsaufbau im Kunststoff zu Rissbildung kommen, verursacht durch Differenzen im Längenausdehnungskoeffizienten (CLTE) zwischen Kunststoff und Kupfer.

Zuverlässigkeit in Anwendungen der Automobilelektronik gewährleisten

Die Steuerung des Halidgehalts in Steckverbindern, Sensoren, Steuergeräten (ECU) und Leistungselektroniken (PCU) ist essenziell. Da Steckverbinder eine größere Rolle in der EV-Architektur übernehmen, ist die Kontaktzuverlässigkeit kritisch. Faktoren wie hohe Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit, reaktive Gase, elektrisches Potenzial und Zeit können zu Korrosion führen. Anorganische Halogenide und ionische Additive, die zur Verbesserung der Flammschutzeigenschaften von Kunststoffen eingesetzt werden, können bei längerer Feuchte- und Wärmebelastung Säuren bilden, die elektrische Kontakte korrodieren und so den Ausfall elektronischer Komponenten verursachen, was sicherheitsrelevante Funktionen des Fahrzeugs beeinträchtigen kann.

„Für Steckverbinder und Sensoren gilt ein Zielwert von weniger als 100 ppm Halide, wobei & 50 ppm in kritischeren Anwendungen angestrebt werden“, erläuterte Kauffmann. „Unsere flammhemmenden Materialien liegen im Bereich von 20–30 ppm (Standard).“

Kauffmann ergänzte: „Wir beobachten einen verstärkten Fokus auf die Berücksichtigung der UL94-Entflammbarkeitstestanforderungen für viele Kunststoffanwendungen im Bereich Elektromobilität, insbesondere wenn die Materialien in der Nähe von HV-Komponenten eingesetzt werden. Häufig ist eine UL94 V0-Brennklassifizierung gefordert, gelegentlich wird auch 5VA benötigt.“

Envalior verfügt über mehrere halogenfreie Materialien, die V0 erfüllen, darunter PA6, PA66, PA46, PA410, PPS und PPAs.

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