Dezember 2012

NTC-Temperatursensoren für E-Mobilität

Bodyguards für Batterie und Antrieb

Zu hohe Temperaturen können den Batterien und dem Antrieb in Elektro- und Hybridfahrzeugen gefährlich werden. Robuste EPCOS NTC-Temperatursensoren überwachen die Wärmeentwicklung und erhöhen Zuverlässigkeit und Sicherheit.

In der Umgebung von Fahrzeugbatterien treten Temperaturschwankungen, mechanische Belastungen, Vibration, Schock und Feuchte auf. Bei EVs (Electric Vehicles) und HEVs (Hybrid Electric Vehicles) sind die Batterien das Kernstück hinsichtlich Zuverlässigkeit und Sicherheit und es gilt, sie permanent zu überwachen. Gerade Feuchte kann in Kombination mit einem elektrischen Feld zu einer irreversiblen Zerstörung eines ungenügend oder nicht geschützten Sensors führen (Elektromigration). Damit Temperatursensoren auch unter widrigen Bedingungen zuverlässig funktionieren, müssen sie mit einem robusten und feuchtebeständigen Gehäuse geschützt werden.Verschiedene Automobilhersteller und Zulieferer spezifizieren unterschiedliche Anforderungen bezüglich Sensorgeometrie, Kennlinie, Ansprechverhalten, Spannungsfestigkeit und Steckverbinder. Es ist wichtig, Sensoren zu entwickeln, die modular an die verschiedenen Anforderungen angepasst werden können.

Batterientemperatur sicher überwachen
Batterien von EVs und HEVs liefern bei genau definierten Arbeitstemperaturen eine optimale Energieausbeute. Eine verlässliche Überwachung und Regelung der Batterietemperatur verhindert eine Überhitzung der Batterie und sorgt damit für deren längere Lebensdauer.

Zur Bestimmung der Batteriezell-Temperatur kommen in EV- und HEV-Batterien eine Vielzahl von NTC-Temperatursensoren zum Einsatz. Ein neu entwickelter, spezieller EPCOS Anschraub-Temperatursensor ist für die hohen Anforderungen wie Feuchte, Betauung und mechanischem Stress optimiert und für den Einsatz in Serienfahrzeugen validiert. Dieser Sensor (Abbildung 1a) besteht aus einem robusten und feuchtebeständigen Gehäuse, in dem das NTC-Element eingebettet ist. Wichtig für die Realisierung dieses Sensorgehäuses waren die Entwicklung der Materialkombination und die Definition der Prozessierung. Der Sensor wird über eine Metallringzunge einfach montiert und sicher befestigt.

In der Standardausführung ist der Anschraubsensor zum Messen der Batterietemperatur mit einem Widerstandswert von 10 kΩ bei 25 °C spezifiziert. Dieser Widerstandswert sowie die Kennlinie des NTC-Temperatursensors können kundenspezifisch angepasst werden.

Abbildung 1: EPCOS NTC-Temperatursensoren

a) EPCOS NTC-Sensor zur Batterietemperaturmessung
Das robuste Kunststoffgehäuse bietet dem Sensorelement zuverlässigen Schutz gegen Feuchte und mechanische Belastung. Die Montage erfolgt sicher über die Metallringzunge.


b) EPCOS NTC-Sensor zur Kühlflüssigkeits-Temperaturmessung

Der NTC-Rohranlegefühler lässt sich schnell und sicher an Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern anbringen.


c) EPCOS Einsteck-Sensor zur Kühlflüssigkeits-Temperaturmessung
Ein spezielles, medienresistentes Kunststoffmaterial umgibt das NTC-Element und sorgt durch seine anwendungsspezifische Hülsengeometrie für absolute Dichtheit des Kühlmittelkreislaufs.


d) EPCOS Sensor zur Stator-Temperaturmessung

Die hohe Spannungsfestigkeit des neuen Sensors verhindert Überschläge zwischen dem Antriebsstromkreis und dem Messstromkreis.


Überwachung von Kühlmedien ist ein Muss
Absolute Funktionssicherheit der Batterien von Elektrofahrzeugen ist für die Hersteller eines der wichtigsten Kriterien. Überlastungen durch Lade- oder Entladevorgänge können zur Beschädigung der Batteriezellen führen oder – im schlimmsten Fall – einen Brand auslösen. Je nach Ausprägung ein folgenschweres Risiko. Die Temperatur der Batteriekühlflüssigkeit ist hierbei ein kritischer Parameter, denn über dieses Medium wird die Verlustleistung als Wärme über einen Wärmetauscher abgeführt. Die Messung der Temperaturwerte der Kühlflüssigkeit gibt zuverlässig Aufschluss über den Betriebszustand der Batterie. Um die Kühlmitteltemperatur verlässlich zu ermitteln, gibt es jetzt einen neuen EPCOS Temperatursensor (Abbildung 1b), der direkt an die Rohre des Kühlleitungssystems montiert werden kann.

Das Besondere bei diesem neu entwickelten EPCOS NTC-Rohranlegefühler ist die Kombination des Sensors mit seinem Fixierungselement. Der Sensor kann so an einem Rohr montiert werden, dass eine sichere und vibrationsbeständige Verbindung von Sensor und Rohr gewährleistet ist. Anbringen und Entfernen des Sensors vom Kühlflüssigkeitsrohr sind schnell und mit minimalem Aufwand durchzuführen. Durch den modularen Sensoraufbau kann der Sensor an unterschiedlichen Rohrdurchmessern montiert werden.

Um die Langzeitstabilität des Sensorsystems des Kühlkreislaufes zu gewährleisten, wurde besonderes Augenmerk auf die Materialien gelegt. Insbesondere konnte die Kompatibilität bezüglich der chemischen Spannungsreihe der verwendeten Metalle sichergestellt werden. Eine kleine Metallhülse, die am Metallrohr des Kühlkreislaufes anliegt, führt in Kombination mit den thermischen und elektrischen Eigenschaften des darin vergossenen NTC-Elements zu kurzen Ansprechzeiten.

Spezielles Augenmerk gilt auch der Widerstandsfähigkeit des Sensorsystems gegenüber Frost sowie hohen Temperaturen bei gleichzeitig hoher Luftfeuchtigkeit. Diese Umgebungseinflüsse verursachen am Fahrzeug und damit am Sensor bei sinkenden Temperaturen eine Kondensation oder Betauung. Hier bewährt sich das bereits in anderen Sensoren eingesetzte EPCOS Design mit Kunststoffumspritzung. Auch die Steckverbindung ist gegen Feuchte geschützt. Das Design zeichnet sich durch leichte und sichere Handhabbarkeit bei der Montage aus. Ebenso kann das Sensorsystem zur Erleichterung von etwaigen Wartungsarbeiten beliebig oft vom Rohr abmontiert und wieder remontiert werden.

Sensor mit Medienkontakt
Neben Anlegefühlern, bei denen der Temperatursensor keinem direkten Kontakt zur Kühlflüssigkeit ausgesetzt ist, besteht auch Bedarf an Sensorlösungen, die eine Temperaturmessung direkt im Kühlmedium der Batterien ermöglichen. Die besondere Herausforderung hierbei ist, einen Sensor zu entwickeln, der gegenüber dem Kühlmedium beständig ist und trotz auftretender mechanischer Belastungen eine zuverlässige Dichtheit des Kühlflüssigkeitskreislaufes gewährleistet. Diese Anforderungen erfüllt der neue EPCOS Batteriekühlflüssigkeits-Temperatursensor (Abbildung 1c).

Das Sensorsystem kombiniert ein medienresistentes Kunststoffmaterial mit einem robusten und mit hoher Genauigkeit messenden NTC-Element. Der Batteriekühlflüssigkeits-Temperatursensor kann einfach und sicher in den Kühlkreislauf integriert werden. Die ermittelten Messdaten erlauben eine zuverlässige Überwachung des Batteriezustands und Regelung der Temperierung des Systems.

Statorüberhitzung vermeiden
Im Tandem mit der Batterie ist der elektrische Antriebsmotor die zweite Grundbaueinheit von EVs und HEVs. Um sowohl eine lange Motorlebensdauer als auch eine optimale Leistung zu erreichen, muss die Temperatur des Elektromotors permanent überwacht werden. Hierbei ist es besonders wichtig, die Temperatur der Statorwicklungen im Bereich über 140 °C möglichst genau zu bestimmen. Nur so kann das volle Potenzial ausgeschöpft werden, ohne eine Überhitzung zu riskieren. Anforderungen an den Sensor zur Stator-Temperaturmessung sind insbesondere eine einfache Montage, der Schutz gegen auftretende mechanische Belastungen, sowohl während der Montage als auch im Betrieb, und eine hohe Spannungsfestigkeit. Die hohe Spannungsfestigkeit verhindert einen Überschlag vom Antriebsstromkreis auf den Messstromkreis. Auch speziell für diese erhöhten Anforderungen wurde ein neuer EPCOS Sensor entwickelt (Abbildung 1d).

Dieser neue Sensor bietet die geforderte hohe Spannungsfestigkeit, die den Verbau eingebettet im Spulenkörper des Stators erlaubt. Die hohe Temperaturbeständigkeit von bis zu 200 °C und eine kurze Ansprechzeit werden mit einem vergossenen NTC-Sensorelement erreicht. Der Sensor ist gegenüber mechanischen Belastungen robust und ist einfach zu montieren.

Wie bei nahezu allen TDK und EPCOS Sensoren besteht auch hier die Möglichkeit kundenspezifischer Anpassungen von Kennlinien, Kabellängen und Steckverbindungsvarianten.

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