Isolationswerkstoffe für Hybrid- und vollelektrische Automobile

Das erste „Automobil“ von Carl Benz von 1886 kam noch weitgehend ohne Elektrik aus – die Hochspannungszündanlage war nahezu die gesamte Elektrifizierung. Heutige Fahrzeuge ähneln dagegen „rollenden Schaltschränken“, die mit zunehmender Elektrifizierung des Antriebs immer höhere Anforderungen an die Isolierwerkstoffe stellen.

Die sogenannte Kleinspannung (48 VAC oder 70 VDC) erfordert üblicherweise nur eine Funktionsisolation – die Berührungsspannung ist ausreichend niedrig, dass Menschen nicht gefährdet werden. Doch selbst mit 48 V (4-facher Wert der üblichen Batteriespannung in einem KFZ mit Verbrennermotor) können keine nennenswerten Antriebsleistungen erreicht werden – die für die fliessenden Ströme benötigten Leitungsquerschnitte sind einfach zu groß.

Daher werden heute in Hybridfahrzeugen und erst recht in Vollelektrischen Fahrzeugen bedeutend höhere Spannungsniveaus eingesetzt. Damit verhindert man, dass große Mengen Kupfer das Fahrzeug unnötig schwer werden lassen. Allerdings befindet man sich damit dann innerhalb der Niederspannungsrichtlinie (2014/35/EU; bis 1000 VAC und 1500 VDC). Diese stellt - in Verbindung mit der Grundnorm IEC 60664-1 - besondere Anforderungen an Isolationsmaterialien sowie Luft- und Kriechstrecken.

Aus Angaben wie Betriebsspannung, Stehstoßspannung, Einsatzhöhe, Verschmutzungsgrad, Wärmeklasse, Empfindlichkeit gegenüber Kriechwegbildung und weiteren Eigenschaften ergeben sich nicht nur Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken, sondern auch an das Isolationsmaterial an sich.

Kapton® HN und Kapton® FN (verbesserte Version mit cti-Wert 1) sind geradezu ideale Isolationsfolien, um in modernen Hochspannungskonzepten in Elektrofahrzeugen für eine ausreichende, dauerhafte und zuverlässige Trennung im IT-Netz oder gegenüber dem geerdeten Netz der Stromeinspeisung zu sorgen. Sie helfen Baugrößen zu verringern und erlauben sehr kompakte Geräte und Einrichtungen in E-Fahrzeugen. Zusätzlich sorgt Kapton® MT+ mit Beschichtungen der CMC Klebetechnik für eine sehr gute Entwärmung im Elektronikbereich (z.B. Ladevorrichtung, Batteriemanagement-System und Leistungselektronik des Antriebs).

Hersteller von Plug-In Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen und vollelektrische Fahrzeuge werden mit einer Vielzahl von Einflüssen auf die elektrische Isolation konfrontiert. Jeder dieser Einflüsse (Temperatur, Klimawechsel, Betriebsstoffe, Vibration, hohe Spannungen, Alterung usw.) kann zu einem frühzeitigen Ausfall führen, der jedoch nur sporadisch auftritt je nach Belastung und Alter des betroffenen elektrischen Bauteils.

Bei CMC können Isolationsfolien und Stanzteile aus diesen Folien je nach Belastungsart aus einem breiten Portfolio von Materialien und Herstellern ausgewählt werden. So werden zum Beispiel bei Herstellern aus dem Kompetenznetzwerk Lithioum-Ionen-Batterien (KLiB, www.klib-org.de; Nachfolger GigaLIB) Folien eingesetzt, die gute Wärmeleitung mit einer Brandschutzwirkung miteinander verbinden.

Durch die hohe Belastung von Isolationsmaterialien durch sehr schnelle Schaltzeiten der PWM  (dU/dt) im Frequenzumrichter oder DC/DC Wechselrichter erwärmen sich Isolationsmaterialien zusätzlich. Die zusätzlich auftretenden Raumladungen verkürzen Isolationsstrecken innerhalb von Feststoffen zusätzlich.
Im fortschreitenden Prozess der Alterung können in solchen festen Isolierstoffen Teilentladungen auftreten, die dann zu einer beschleunigten Alterung und einem vorzeitigen Ausfall z.B. des Batterie-Busbars oder innerhalb der Leistungselektronik führen.

CMC Klebetechnik führt Isolationsfolien und -klebebänder aus Folien wie PET, PEN, PI, PTFE und ETFE sowie verschiedene Kombinationen aus Nomex® oder Glasgewebe mit Isolationsfolien. Für teilentladungsfeste Isolationen ist besonders Kapton® CRC geeignet, das eine vielfach höhere Lebensdauer unter TE/PD aufweist gegenüber Kapton® HN.

 

Anhang:
Liste einiger Normen, die in der Emobility eine Rolle spielen

VG 96916 "Elektrische Bordnetze für Landfahrzeuge"
DIN EN 61557 "Elektrische Sicherheit in Niederspannungsnetzwerken bis 1000 VAC und 1500 VDC" (Isolationsüberwachung)
IEC 60092 "Elektrische Anlagen auf Schiffen"
DIN EN 62477-1 "Sicherheitsanforderungen an Leistungshalbleiter-Umrichtersysteme"
DIN EN 61000 "Elektromagnetische Verträglichkeit"
DIN EN 60664 "Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen"
ISO 6469 "Elektrisch angetriebene Strassenfahrzeuge - Sicherheitsanforderungen"
IEC/TS 61980-1 bis -3 Anforderungen an die Induktionsladetechnik von PKW`s
DIN EN 62660 „Testverfahren und Sicherheitsanforderungen für Lithium-Ionen-Batterien, die für den Einsatz in Elektrofahrzeugen gedacht sind“
UN 38.3 „Prüfungen zur Transportfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien“
LV 124 & LV 148 Teststrategien für elektrische Tests an Elektrofahrzeugen mit 12 V, 24 V und 48 V (Milde Hybride) Bordnetz
LV 123 Elektrische Anforderungen und Prüfungen an Hochvoltkomponenten in Kraftfahrzeugen
VW 80300 (Volkswagen), GS 95023 (BMW), MBN LV 123 (Mercedes) Prüfung von Hochvolt-Komponenten
ISO 6469 Electric Road Vehicles Safety Specifications
ISO 23273 Fuel Cell Vehicle Safety Specifications
ECE-R100 Hochvoltsicherheit in elektrisch betriebenen Fahrzeugen
FMVSS 305 Electric Road Vehicles Safety Specifications


 

Luft- und Kriechstreckenbestimmung (Clearances and Creepage)

Die Luftsrecke ist die kürzeste Strecke zwischen zwei unter Spannung stehenden Leitern bzw. zu einer geerdeten Komponente.

Bei der Bestimmung der zulässigen Luftstrecke (geringes Isolationsvermögen) fließt vor allem ein

  • die Arbeitsspannung
  • die Versorgungsspannung
  • die Überspannungskategorie und zulässige maximale Transienten
  • Der Verschmutzungsgrad
  • Art des Isolierwerkstoffes
  • maximale Einsatzhöhe wenn > 2000 m

Zur Bestimmung der Kriechstrecke fließt vor allem ein

  • Arbeitsspannung
  • Verschmutzungsgrad
  • Art des Isolationsmaterials
  • CTI-Wert

Luftstrecken können sehr schnell durch ein einzelnes Überspannungsphänomen einen Fehler aufweisen, wohingegen Fehlauslegungen bei Kriechstrecken meist erst Stunden oder Monate später zu einem Ausfall führen können.