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Gap Filler Liquid: Thermische Anbindung im Bereich E-Mobilität

| Autor / Redakteur: Wolfgang Höfer* / Benjamin Kirchbeck

Der Umstieg auf elektrische Antriebssysteme und die zunehmende Bedeutung des autonomen Fahrens implizieren völlig neue Herausforderungen im Bereich Thermal Management.
Der Umstieg auf elektrische Antriebssysteme und die zunehmende Bedeutung des autonomen Fahrens implizieren völlig neue Herausforderungen im Bereich Thermal Management. (Bild: Clipdealer)

Der Umstieg auf elektrische Antriebssysteme und auch die zunehmende Bedeutung des Autonomen Fahrens implizieren eine Vielzahl an neuen Herausforderungen. Dem Bereich Thermal Management bzw. der thermischen Anbindung und Entwärmung elektrischer Komponenten, kommt dabei eine wichtige Rolle zu.

Den neuesten Berechnungen des Bundesumweltministeriums zufolge wird Deutschland das selbst gestecktes Klimaziel, die CO2- Emission bis zum Jahr 2020 um mehr als 40 % zu senken, deutlich verfehlen. Dabei verzeichnen die Treibhausgasemissionen aus dem Verkehrssektor, entgegen dem Trend aus anderen Bereichen, im Vergleich zum Referenzjahr 1990 sogar einen leichten Anstieg und sind für ein Fünftel der gesamten Emissionen Deutschlands verantwortlich. Eine verbesserte Fahrzeugeffizienz konnte konträre Faktoren wie z.B. steigende Verkehrs-und Motorenleistung nicht kompensieren.

Der neue Klimaschutzplan der Bundesregierung sieht für den Verkehrssektor bis zum Jahr 2030 eine Treibhausgasminderung von 40-42 % vor, nur ein kleiner Baustein zur Einhaltung des 2 °C Ziels aus dem Pariser Klimaabkommen. Um die Vorgabe von 95 g CO2/km im Mittel für PKWs einhalten zu können, sind alternative Antriebssysteme unabdingbar. Werden diese Werte überschritten, drohen den Autobauern massive Strafzahlungen. Dieser Preismechanismus wirkt sich positiv auf emissionsarme Pkws aus - in der Automotiv-Branche muss ein globales Umdenken stattfinden.

Thermal Interface Materials

Den Prognosen führender deutscher Autohersteller zufolge werden bis spätestens 2030 alle Topseller auch als Elektroauto verfügbar sind, ein äußerst ambitioniertes Ziel. Faktoren wie eine stetig steigende Leistungsdichte bzw. ein höherer Wärmefluss pro Fläche (W/m2) und „high power charging“ führen zu erhöhten Bauteiltemperaturen- sowie Belastungen und damit auch zu einer verringerten Lebensdauer in der Anwendung.

Eine effiziente thermische Entwärmung der elektrischen Bauteile durch Anbindung von Wärmequelle an Wärmesenke, bei gleichzeitig elektrisch isolierender Wirkung ist daher eine Grundvoraussetzung für die hohen Qualitätsansprüche aus dem Automotiv-Bereich. Diese Anbindung und der Ausgleich entsprechender Bauteiltoleranzen, Spalte (d in mm) oder Lufteinschlüsse kann durch das vielfältige Produktportfolio an Thermal Interface Materials von KERAFOL individuell realisiert werden, je nach Anforderung an die Wärmeleitfähigkeit (λ in W/mK) und gewünschte Temperaturdifferenz (∆T in K).

Thermal Management im Bereich e-mobility

Der Umstieg auf elektrische Antriebssysteme und auch die zunehmende Bedeutung des autonomen Fahrens implizieren völlig neue Anwendungen und Herausforderungen im Bereich „Thermal Management“. Der funktionelle Zusammenhang zwischen der Betriebstemperatur eines Batteriestacks und dessen maximal erreichbarer Zyklenzahl ist hinreichend bewiesen, was durch folgende Faustregel äußerst genau quantifiziert werden kann: Eine Verringerung der Betriebstemperatur um 10°C verdoppelt die Lebensdauer der Batteriezellen.

Auch die Nettoreichweite eines Elektroautos ist merklich von der Betriebstemperatur der Batterie und somit auch indirekt von der vorliegenden thermischen Entwärmung abhängig. Neben dem Konzept zur thermischen Anbindung der Energiequelle, bedarf es bei dem „Auto von morgen“ auch nach Lösungen für elektrische Komponenten in den Bereichen LED, Sensorik, Bordnetz und Inverter, eines der Kernelemente des elektrischen Antriebsstrangs.

Vergussmassen

Vor allem für hohe Stückzahlen stellen 2K-Vergussmassen (GFL) eine effiziente und kostenorientierte Lösung dar. Hierfür werden die beiden Komponenten der keramisch hochverfüllten Silikonelastomere über ein Mischrohr vermengt und anhand eines Dispenssystems direkt auf das Bauteil (z.B. Metallgehäuse) appliziert. Im nächsten Schritt werden die elektronischen Komponenten (z.B. IGBTs, Kondensatoren usw.) unter leichtem Druck auf die noch unvernetzte Masse angebracht, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Masse und folglich eine definierte Dicke sowie reproduzierbare elektrische und thermische Parameter realisiert werden. Die Vernetzung bzw. Aushärtung der Masse erfolgt unter Raumtemperatur und beträgt circa eine Stunde, kann aber auf Kundenwunsch individuell angepasst werden.

Im Vergleich zu Systemen auf PU- oder Epoxid-Basis können silikonhaltige Vergussmassen Vibrationen wesentlich besser aufnehmen und kompensieren, ein Effekt welcher durch die hohe Weichheit der GFL begünstigt wird. Zusätzlich ermöglicht die geringe Viskosität der GFL eine simple Verarbeitbarkeit und wirkt sich schonend auf das Dispenssystem aus, eine These die durch führende Anlagenhersteller wie ViscoTec, bdtronic oder Scheugenpflug bestätigt wurde.

Softtherm Pads

Für viele Anwendungen im Bereich der e-mobility sind klassische Wärmeleitfolien nach wie vor „state of the art“. Vor allem vernetzte Elastomere auf Silikonbasis, besser bekannt als Softtherm Pads, können durch ihre Vielfalt an spezifisch einstellbarer Eigenschaften eine entscheidende Rolle zur thermischen Entwärmung (Leistungsbereich bis zu 6 W/mK) elektronischer Komponenten spielen.

Durch die hohe Flexibilität und enorme mechanische Belastbarkeit der Softtherm Pads, können große Spaltmaße sowie hohe Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden. Neben individueller Lösungen, wie einseitige Kleberbeschichtung zur Bauteilfixierung oder Glasfaserverstärkung zur Erhöhung der mechanischen Stabilität, können für den Kunden auch 2-lagige Folien (gefordert nach Elektroschutzverordnung) von großem Mehrwert sein. KERAFOL stellt sich seit vielen Jahren diesen kundenspezifischen Anforderungen und findet für jeden Anwendungsfall die passende Lösung.

Unabhängig davon welches der „Thermal Interface Materials“ aus technischer und monetärer Sicht die beste Lösung darstellt, "eine innovative und nachhaltige Verkehrspolitik ist nicht nur ein umwelt- und klimapolitisches Gebot, sondern auch eine zentrale Bedingung für die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie". Eine Prämisse, nach der sich auch die Firmenpolitik des familiengeführten Unternehmens Kerafol richtet.

* Wolfgang Höfer ist als Vertriebsmanager für die KERAFOL GmbH & Co. KG tätig.

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