Temperatursensoren NTC-Thermistoren für Steckverbinder in der Elektromobilität

Von Dr. Markus Wehring *

In der Elektromobilität ist die ständige Überwachung der Temperatur aller Systemeinheiten erforderlich. Durch die hohen Ströme treten besonders an Kontakten Verluste mit entsprechender Wärmeentwicklung auf. TDK hat nun einen speziellen hochspannungsfesten Temperatursensor für Steckverbinder entwickelt.

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Erste Robustheitstests an schnellen Prototypen: zeigen keinen Spannungsdurchbruch bis zu einer DC-Prüfspannung von 6 kV.
Erste Robustheitstests an schnellen Prototypen: zeigen keinen Spannungsdurchbruch bis zu einer DC-Prüfspannung von 6 kV.
(Bild: TDK Corporation)

Hochvoltbatterien für Elektrofahrzeuge (xEV) weisen inzwischen Nennspannungen von bis zu 1.000 V auf, was eine entsprechende Hochspannungsfestigkeit aller Systemkomponenten voraussetzt. Um hohe Antriebsleistungen von teils deutlich größer 100 kW über Inverter und Motor zu erzielen, treten dabei Ströme auf, die im dreistelligen Bereich liegen. Diese hohen Ströme führen in Verbindung mit Leitungs- und Kontaktwiderständen zu nicht unerheblichen Verlustleistungen und damit zu Verlustwärme, da die Ströme quadratisch in die Berechnung eingehen: PV = I2. R. Somit wird deutlich, dass bereits kleine Widerstände im Milliohm-Bereich zu relativ großen Verlusten und damit einer Erwärmung führen, die kritische Werte annehmen kann.

Ein Beispiel: Hat eine Kontaktstelle einen Widerstand von 10 mΩ und wird mit einem Strom von 100 A beaufschlagt, ergibt sich eine Verlustleistung von 100 W, was sehr schnell zu einer Überhitzung führt. Aus diesem Grund müssen in xEV kritische Kontaktstellen – zum Beispiel ein Steckverbinder zwischen Batterie und Motorinverter – thermisch überwacht werden und bei drohender Überhitzung rechtzeitig eine Drosselung des Stroms erfolgen. Zur Überwachung der Temperatur an kritischen Stellen eignen sich NTC-basierende Temperatursensoren, die ein Derating des Stroms einleiten. Bild 1 zeigt das Regelprinzip.

Hohe Anforderungen an NTC-Temperatursensoren für xEV

Die Elektromobilität stellt völlig neue Anforderungen an die Entwicklung und das Design von NTC-Temperatursensoren – speziell für die Integration in Hochvoltsysteme.

Dazu zählen:

  • Hochspannungsfestigkeit,
  • kurze Ansprechzeit,
  • hohe Temperaturbeständigkeit,
  • hohe Genauigkeit,
  • Möglichkeit der Integration direkt in Steckverbinder.
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Die Herausforderung bestand darin, ein Material zu finden, dass einerseits ein hohes elektrisches Isolationsverhalten aufweist, gleichzeitig aber auch eine sehr gute thermische Leitfähigkeit besitzt, um daraus wiederum ein Design zu entwickeln, in das sich ein NTC-Element integrieren lässt. Außerdem galt es eine hohe Temperaturbeständigkeit zu bieten. Als geeignet erwies sich eine Hülse aus einer speziellen Keramik, in die das Sensorelement integriert ist. Bild 2 zeigt den so entwickelten Temperatursensor.

Temperatursensor erfüllt alle gestellten Anforderungen

Dass der neuentwickelte TDK Temperatursensor die an ihn gestellten Anforderungen erfüllt, wurde in mehreren Tests erfolgreich nachgewiesen. Der Hochspannungstest ergab eine Spannungsfestigkeit von 5 kV DC des Sensorkopfs, was die Systemspannung von 1 kV DC deutlich übertrifft. Auch die geforderte kurze Ansprechzeit wurde erreicht. Sie ist besonders wichtig, um bei plötzlicher Überhitzung rechtzeitig das Derating einzuleiten. Hier wurde ein

τ-Wert (63%) von deutlich <10 s Sekunden in einer typischen Einbausituation ermittelt werden. Der zulässige Temperaturbereich beträgt –40 bis 150 °C, wobei kurzfristige Beaufschlagungen von 180 °C zulässig sind.

Auch die Genauigkeit des Sensors ist ein wichtiger Aspekt. Nur wenn diese hinreichend hoch ist, kann ein rechtzeitiges und gleichzeitig nicht zu frühes Derating eingeleitet werden. Bei dem neuen Sensor ergibt sich bei 25 °C eine maximale Abweichung von ±0,2 K und der Widerstandswert R25 beträgt 10 kΩ mit einer Toleranz von einem Prozent.

Das obere Kunststoffteil des Sensors ist so gestaltet, dass es – je nach Kundenanforderung – vielfältige Montagemöglichkeit wie Srew-on, Clip-in oder Clip-on erlaubt.

In Summe trägt der neues Sensor mit seinen guten elektrischen, thermischen und mechanischen Werten dazu bei, die Elektromobilität sicherer und effizienter zu machen.

* Dr. Markus Wehring, Product Development Temperature & Pressure Sensors Business Group bei der TDK Corporation.

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