TDK hat einen Hochspannungs-NTC-Temperatursensor entwickelt, der für Elektrofahrzeuge geeignet ist

"In Elektrofahrzeugen muss die Temperatur aller Systemeinheiten kontinuierlich überwacht werden. Hohe Ströme verursachen Verluste und erzeugen entsprechende Wärme, insbesondere an den Kontakten. TDK hat jetzt ein spezielles High-Spannung NTC-Temperatur Sensor für Messanschlüsse.

In Elektrofahrzeugen muss die Temperatur aller Systemeinheiten kontinuierlich überwacht werden. Hohe Ströme verursachen Verluste und erzeugen entsprechende Wärme, insbesondere an den Kontakten. TDK hat jetzt einen speziellen Hochvolt-NTC-Temperatursensor für Messsteckverbinder entwickelt.

Heutzutage haben Hochvoltbatterien in Elektrofahrzeugen (xEV) eine Nennspannung von bis zu 1000 V, sodass alle Systemkomponenten über die entsprechende Hochvoltfähigkeit verfügen müssen. Bei der Erzielung hoher Antriebsleistungen (manche sogar über 100 kW) durch Wechselrichter und Motoren werden mehrere Hundert Ampere Strom erzeugt. Zusammen mit dem Leitungswiderstand und dem Kontaktwiderstand verursachen diese hohen Ströme eine große Verlustleistung und damit verbundene Wärmeverluste, da die Leistungsaufnahme dem Quadrat des Stroms entspricht: PV = I2 x R. Dies zeigt deutlich, dass auch kleine Widerstände im Milliohm Bereich führt zu relativ großen Verlusten, so dass die Temperatur kritisch ansteigen kann. Beträgt der Widerstand der Kontaktstelle beispielsweise 10 mΩ und wird ein Strom von 100 A angelegt, ergibt sich eine Leistungsaufnahme von 100 W, was schnell zu einer Überhitzung führt. Aus diesem Grund müssen die wichtigsten Kontaktstellen im xEV – etwa die Verbindung zwischen Batterie und Motorwechselrichter – thermisch überwacht und der Strom rechtzeitig reduziert werden, wenn eine Überhitzung droht. Mit NTC-basierten Temperatursensoren kann die Temperatur des kritischen Punktes überwacht und eine Stromreduzierung eingeleitet werden Technologie. Abbildung 1 veranschaulicht das Steuerungsprinzip.

Abbildung 1: Das Regelprinzip einer Temperaturüberwachungseinheit mit entsprechendem Stromderating.

Die hohen Anforderungen von xEV an NTC-Temperatursensoren

Elektrofahrzeuge stellen ganz andere Anforderungen an die Entwicklung und Konstruktion von NTC-Temperatursensoren, insbesondere deren Integration in Hochvoltsysteme. Diese beinhalten:

Hoher Druck
Schnelle Reaktionszeit
Hochtemperaturstabilität
Hohe Präzision
Direkt in den Stecker integrierbar

Bei hoher Temperatur und hohem Druck konzentrierte sich die Designherausforderung darauf, ein Material mit sowohl hohen elektrischen Isolationseigenschaften als auch hervorragender Wärmeleitfähigkeit zu finden und ein integriertes NTC-Komponentendesign zu entwickeln. Außerdem sollte es eine hohe Temperaturstabilität bieten. Die im Sensorchip integrierte spezielle Keramikbuchse kann diese Eigenschaften gleichzeitig erreichen. Abbildung 2 zeigt den von TDK entwickelten Temperatursensor.

Abbildung 2: Neuer Temperatursensor zur Integration in den Stecker.
Durch den Einsatz von Keramikbuchsen mit integrierten NTC-Komponenten kann die geforderte Hochspannungsfestigkeit und schnelle Reaktionszeit erreicht werden.

Innovativer TDK Temperatursensor erfüllt alle Anforderungen

Tests haben bewiesen, dass der neu entwickelte TDK-Temperatursensor den hohen Anforderungen von Elektrofahrzeugen gewachsen ist. Im Hochspannungstest erreichte der Sensor eine Spannungsfestigkeit von 5 kV DC – deutlich höher als die 1 kV DC Systemspannung. Darüber hinaus hat es auch ein schnelles Ansprechverhalten, insbesondere bei plötzlicher Überhitzung ist es besonders wichtig, den Strom rechtzeitig zu reduzieren. Der unter typischen Einbaubedingungen gemessene τ-Wert (63%) liegt deutlich unter
Auch die Sensorgenauigkeit ist ein wichtiger Aspekt. Nur wenn dieser hoch genug ist, kann das Derating rechtzeitig und nicht vorzeitig gestartet werden. Bei 25 °C beträgt der maximale Fehler des Sensors ±0.2 K, der Widerstand von R25 beträgt 10 kΩ und die Toleranz beträgt 1%.
Der obere Kunststoffschnallenteil des Sensors ist für unterschiedliche Installationsanforderungen des Kunden ausgelegt, z. B. zum Einschrauben, Einrasten oder Einrasten.

Insgesamt verfügen die neuen Sensoren von TDK über bessere elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften, die dazu beitragen, Elektrofahrzeuge sicherer und effizienter zu machen.

Abbildung 3: Exzellente Wärmedämmung und schnelle Reaktionszeit Testergebnisse

Da Hochvoltbatterien in Elektrofahrzeugen (xEV) heute eine Nennspannung von bis zu 1000 V haben, müssen alle Systemkomponenten entsprechend hochvoltfähig sein. Wenn durch Wechselrichter und Motoren hohe Antriebsleistungen (manche sogar über 100 kW) erreicht werden, werden Hunderte von A Strom erzeugt. Zusammen mit Leitungswiderstand und Übergangswiderstand verursachen diese hohen Ströme eine große Verlustleistung und damit verbundene Verlustwärme, denn die Leistungsaufnahme ist das Quadrat des Stroms: PV = I2 x R. Dies zeigt deutlich, dass auch kleine Widerstände im Milliohm Bereich relativ große Verluste erzeugt, so dass die Temperatur kritisch ansteigen kann. Beträgt der Widerstand der Kontaktstelle beispielsweise 10 mΩ und wird ein Strom von 100 A angelegt, ergibt sich eine Leistungsaufnahme von 100 W, die schnell zur Überhitzung führt. Deshalb müssen die wichtigsten Kontaktstellen im xEV – wie der Stecker zwischen Batterie und Motorwechselrichter – thermisch überwacht und der Strom bei drohender Überhitzung rechtzeitig reduziert werden. Mit NTC-basierten Temperatursensoren kann die Temperatur des kritischen Punktes überwacht und eine aktuelle Derating-Technologie eingeleitet werden. Abbildung 1 veranschaulicht sein Steuerungsprinzip.