Auf dem Weg in die Zukunft mit Polycarbonaten für Hochspannungskomponenten in Elektrofahrzeugen und EE
Innovative Materialien für die E-Mobilität: Bayblend® und Makrolon®-Typen für Hochspannungskomponenten
Polycarbonate von Covestro bieten hervorragende elektrische Eigenschaften, die sich in vielfältigen Anwendungen in der EE-Industrie bewährt haben. Aufgrund der aktuellen Trends zur Erhöhung der Energiedichte und zur Verringerung der Bauteilgröße benötigen Elektrofahrzeuge heute immer mehr FR-Materialien, die einen CTI von 600 V aufweisen (Der CTI-Wert ist ein Maß für den relativen Widerstand von Isolationsmaterialien gegen elektrische Kriechwegbildung. Der Wert gibt die höchste Spannung in einem definierten Test an, bei der an fünf Proben nach jeweils 50 Auftropfungen kein Ausfall auftritt.
Bisher werden diese Werte mit Polycarbonaten nicht erreicht. Doch jetzt hat Covestro seine Innovationskraft erneut unter Beweis gestellt und neue Lösungen auf der Basis von amorphen Polycarbonaten entwickelt, die die Flammschutzklassifizierung UL94 V-0 mit der höchsten CTI-Einstufung von 600V gemäß IEC60112 kombinieren. Zu diesen neuen Materialien gehören Typen aus unserer flammhemmenden Bayblend®- und Makrolon®-Produktlinie.
Als amorphe Materialien bieten sie zusätzlich eine hohe Formstabilität mit geringem Verzug und thermisch isotropem Verhalten.
Die neu entwickelten Typen sind für Anwendungen in Li-Ionenbatterie-Einhausungen, Hochspannungskomponenten des elektrischen Antriebsstrangs und allgemeinen E&E-Anwendungen wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge sowie Photovoltaik-Anwendungen ausgelegt.
Und das ist noch nicht alles.
Covestro hat eine Toolbox mit verschiedenen Möglichkeiten entwickelt, um den CTI von Polycarbonaten zu erhöhen. So ist Covestro z. B. in der Lage, Kunden bei der Entwicklung neuer Typen mit zusätzlichen wärmeleitenden Eigenschaften für das Wärmemanagement in Hochspannungsanwendungen zu unterstützen, die einen CTI von 600 V und Flammschutz-Klassifizierung erfordern (vorläufige Daten aus Covestro-internen Tests). Weitere Materialien befinden sich in der Produktpipeline oder können je nach Kundenwunsch entwickelt werden.
Bayblend® FR3015 CTI und Makrolon® FR6019 CTI für Lithium-Ionen-Batterien, Leistungselektronik und andere Hochspannungsanwendungen
Bayblend® FR3015 CTI ist ein flammhemmender und duktiler PC-Blend, der für Lithium-Ionen-Batterieanwendungen, wie z. B. Zellenhalter oder Stromschienenträger, entwickelt wurde. Dieser unverstärkte und verzugsarme Typ, der sich durch eine hohe Vicat-Temperatur von 120 °C auszeichnet, kann zusätzlich zu den bereits verfügbaren Bayblend®-FR-Lösungen für Komponenten mit erhöhten Sicherheitsanforderungen wie einem CTI von 600 V in Kombination mit einer UL94V-0-Einstufung bei 1,5 mm verwendet werden. Die hohe Vicat-Temperatur führt zu stabilen mechanischen Eigenschaften über den gesamten Temperaturbereich. Eine Glasfaserverstärkung ist somit unnötig.
Makrolon® FR6019 CTI ist ein unverstärktes flammenhemmendes Polycarbonat mit UL94V-0-Klassifizierung bei 1,5 mm und einem hohen CTI von 600 V, das für Anwendungen in Komponenten der Leistungselektronik entwickelt wurde und sich auch für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien eignet. Es weist eine noch höhere Vicat-Temperatur von 130 °C auf und ist schlagzäh. Bis zur Erweichungstemperatur bleiben die mechanischen Eigenschaften nahezu konstant – auch hier macht dies den Einsatz von Glasfasern zur Materialverstärkung unnötig. Dadurch zeichnet sich Makrolon® FR6019 CTI ebenfalls durch ein thermisch isotropes Verhalten und einen geringen Verzug aus.
Sowohl Bayblend® FR3015 CTI als auch Makrolon® FR6019 CTI sind opak und lassen sich leicht einfärben. Kunden sollten hierbei allerdings bedenken, dass die Farbe als Teil der Rezeptur den CTI-Wert beeinflussen kann. Covestro bietet seinen Kunden daher technischen Support an.
Materialien, die sich bewähren: Geprüft nach IEC60112
Der CTI-Wert wird gemäß IEC60112 gemessen und bewertet. Das Ergebnis ist ein Spannungswert des geprüften Materials zwischen 175 V und 600 V. Je nach Nennspannung können die Materialien in Isolierstoffgruppen eingeteilt werden. Unter Berücksichtigung des CTI-Werts, der Betriebsspannung und des Verschmutzungsgrads kann ein Mindestabstand zwischen den Schienen abgeleitet werden, an dem sich der Konstrukteur orientieren kann.
Der CTI-Test besteht aus zwei Elektroden, die in einem vordefinierten Abstand auf dem Substrat platziert werden. Beginnend zwischen 300 V und 350 V wird bei jedem Spannungsprüfungsniveau 50 Tropfen einer leitfähigen Lösung zwischen den Elektroden aufgebracht. Wird eine Spannungsstufe erfolgreich bestanden, kann sie schrittweise erhöht werden, bis die maximale Prüfspannung von 600 V erreicht ist. Wenn eine Spannungsebene bei der Prüfung nicht bestanden wurde, wird der CTI-Wert als die letzte Spannungsebene definiert, bei der die Prüfung bestanden wurde.
„Bisher konnten flammhemmende Polycarbonate keine elektrische Kriechstromfestigkeit von 600 V bieten. Umfangreiche Grundlagenforschung und wertvoller Kundeninput aus den Zielindustrien legten den Grundstein für die Entwicklung von Polycarbonat-basierten Typen, die die positiven Eigenschaften von amorphen Materialien, wie Formstabilität und geringer Verzug, mit verbesserten elektrischen Eigenschaften kombinieren.“
Auswahl an Materialien für Niederspannungskomponenten
Wenn es um Wärmeleitfähigkeit geht, übertreffen Metalle in der Regel ihre wärmeleitenden Kunststoffkollegen. Aber in Bezug auf Design oder Massenproduktion stellen Kunststoffe Metalle in den Schatten. Wenn man die Design-Vorteile von Kunststoffen nutzt, kann ein intelligentes Design eines Kunststoffkühlkörpers oft zu Kühlleistungen führen, die mit denen eines Metallkühlkörpers vergleichbar sind.
Zusätzlich zu Bayblend FR3015 CTI und Makrolon® FR6019 CTI, beides flammhemmende Materialien mit einem CTI von 600 V, bietet Covestro ein breites Portfolio an schwarzen, elektrisch leitfähigen und weißen, elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Kunststoffen mit einem niedrigeren CTI an. Einige dieser Typen sind mit einem zusätzlichen Flammschutz-Paket ausgestattet, das eine UL94 V-0 -Klassifizierung ermöglicht.
Für eine moderate Wärmeabfuhr empfehlen wir das lektrisch isolierende Makrolon® TC110 FR. Es weist zudem einen geringen CO₂-Fußabdruck auf.
Für eine höhere Wärmeabfuhr ist Makrolon® TC629 das Material der Wahl.
Makrolon® TC629 ist nicht nur thermisch leitfähig, sondern bietet auch elektrische Leitfähigkeit mit einem Oberflächenwiderstand von 4∙103 Ω und einem Volumenwiderstand von 1∙102 Ωm. Aufgrund dieser elektrischen Eigenschaften ermöglicht es eine EMV-Abschirmwirkung von bis zu 55 dB bei einer Dicke von 3 mm für Frequenzen im Bereich zwischen 1 und 18 GHz, basierend auf Covestro-internen Tests (vorläufige Daten, abhängig von der Bauteildicke und dem Design). Es könnte daher die Bemühungen um EMV-Abschirmungen bei OEMs und Tiers unterstützen.
Neben der Lieferung von Materialien bietet Covestro eine breite Palette von Unterstützungsleistungen an, die den Kunden helfen, ihre Ideen zu verwirklichen. Dazu gehören digitales Engineering, z. B. thermische Simulationen, Struktursimulationen, rheologische Simulationen und Unterstützung bei der Formgestaltung, sowie bei der Verarbeitung und Produktion vor Ort.
Wesentliche Vorteile
- Brennverhalten und verbesserte elektrische Eigenschaften: UL94 V-0 in Verbindung mit einem CTI-Wert von 600 V (gemäß IEC60112)
- Betriebstemperatur: Vicat-Temperaturen von 105 – 130°C für verschiedene Anwendungen
- Formstabilität: Geringe, berechenbarer Schrumpf, geringer Verzug
- Mechanische Eigenschaften: Nahezu konstanter Zugmodul über einen weiten Temperaturbereich in Kombination mit hoher Duktilität ohne Verstärkung
