Elektroantrieb und Isolationsfolien – zu weit voneinander entfernt?

Wenn ein Automobilentwickler an einen neuen, innovativen Elektroantrieb denkt, fällt ihm gewiss nicht als Erstes eine passende Isolationsfolie ein. Wenn ein Entwicklerteam sich um den ganzen elektrischen Powerstrang des Antriebs kümmert, sind techn. Klebebänder auch nicht im Fokus.

Folien und Klebebänder spielen dennoch eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Antriebskonzepten für die verschiedenen Elektrofahrzeugtypen (Hybrid-Fahrzeuge, Plug-in-Hybrid- und reine Elektro-Fahrzeuge). Denn Spannungsniveaus weit oberhalb der Kleinspannung (60 VDC) und zum Teil nur noch knapp im Niederspannungsbereich (1500 VDC) zwingen zu besonderen Maßnahmen. Neben der reinen Funktionsisolation muss durch basis-, doppelte, oder sogar verstärkte Isolation sichergestellt werden, dass weder die Fahrzeugelektrik noch die Verwender des Fahrzeuges Schaden nehmen. Auch bei der Anpassung an die verschiedenen Ladesysteme muß sichergestellt werden, dass keine ungewollten Ströme fließen.

Daher sind in Bordladegeräten, DC/DC Wandlern und Umrichtern neben den einzuhaltenden Luft- und Kriechstrecken auch die besonderen Bedingungen für Isolationsfolien zu beachten. Firmen wie das Joint-Venture zwischen Siemens und Valeo oder Hella, ElringKlinger und STW, Bosch und SB LiMotive legen daher neben der reinen Funktion des Isolierens Wert auf Langlebigkeit unter automotiven Bedingungen. Dies sind vor allem häufige warm-kalt-Zyklen, Vibration und Erschütterung, Feuchtigkeitsbelastungen, chemische Beständigkeit und eine hohe Leistungsreserve im Störfall.

Ein Beispiel für solche Isolationen sind die Nutschieber in Antriebsmotoren für die Elektomobilität. Während in der Industrie Standard ist, dass man ein Laminat aus Nomex® und Mylar® verwendet (Nomex® polstert und nimmt das Tränkmittel gut auf, Mylar® bietet die passende Spannungsfestigkeit), muß man in der Elektromobilität andere Wege gehen. Kompaktheit, hohe Effizienz und geringes Gewicht sind naheliegende Vorgaben für ein Bauteil, das in einem von Batterien angetriebenen Fahrzeug verbaut werden soll. In hohem Maße beeinflussen natürlich die verwendeten Bleche (oder anderen magnetisch wirksamen Materialien) und das verwendete Wickelmaterial einschließlich der Geometrie die Erreichung dieser Vorgaben. Doch auch die verwendeten Isolationsmaterialien tragen dazu bei, den Elektroantrieb kompakter und mit einer höheren Energiedichte fertigen zu können. Eine mögliche Alternative z.B. für Nutschieber ist die Verwendung von Nomex® und Kapton®, die zusammen ein extrem belastbares Mehrschichtmaterial ergeben. Ebenso ist Polyetheretherketon (PEEK) ein Hochleistungspolymer, das aus dem Spritzguss-Bereich bekannt ist. Folien aus PEEK sind extrem abriebfest, hoch temperaturbeständig und können thermisch geformt werden (Thermoplast).

In Batteriemodulen, die das Herzstück eines vollelektrischen Elektrofahrzeugs sind, müssen die einzelnen Lithium-Ionen Batterien thermisch im optimalen Arbeitsbereich gehalten werden. Im Winter bedrohen Temperaturen unter 0°C die einzelnen Batteriemodule, im Betrieb können Leistungsspitzen eine Stauwärme innerhalb des Batteriestacks erzeugen, die auf die Lebensdauer der Batteriemodule geht. Für Lithium-Ionen-Batteriemodule bietet CMC Klebetechnik einerseits elektrisch beheizbare Polymerfolien und andererseits mechanisch stabile, elektrisch hochisolierende Folien als galvanische Trennung an.

Für die gesamte Leistungselektronik und die Beleuchtungstechnik auf Basis von Leistungs-LED´s steht ein umfangreiches Sortiment an wärmeleitenden Produkten zur Verfügung. Dünne Kapton® MT+ Folien bieten dem Entwickler hervorragende Isolationswirkung mit sehr guter Wärmeleitung bei geringsten Materialstärken. Beschichtungen mit Wärmeleitwachs (Phase Change Material) oder wärmeleitend gefüllten Silikonschichten verbessern die Anbindung an unterschiedliche Oberflächen und reduzieren die Wärmeübergangswiderstände. Entsprechende wärmeleitende Klebstoffe erlauben eine bequeme Vormontage und helfen bei der Fixierung von Bauteilen.

Durch die z.T. hohen Spannungsniveaus vergrößert sich die Gefahr der elektrischen Teilentladungen deutlich gegenüber klassischen Betriebsspannungen von 12, 24 oder 48 VDC. Materialien, die diesem Phänomen des Partial Discharge gut widerstehen können, sind ebenfalls Bestandteil des Portfolios der CMC Klebetechnik. Sie können in Umrichtern, DC/DC Wandlern und anderen Hochvolt-Bauteilen des Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeuges als PD-beständige Isolation verwendet werden.

Mit Sicherheit ist es ein recht großer gedanklicher Sprung, den man vom fertigen Elektroantrieb bis zu seinen einzelnen Komponenten machen muß. Aber Entwickler sind stets auch mit Detailfragen konfrontiert. Beim Thema elektrische Isolation, Wärmemanagement und Teilentladungsbeständigkeit hat CMC passende Antworten, die bei der Entwicklung innovativer, energieeffizienter Technik im Elektrofahrzeug helfen.

Elektroantrieb und Isolationsfolien – zu weit voneinander entfernt?