EMV-Problematik bei E-Fahrzeugen – Lösungsmöglichkeiten

Ungewollte Schaltvorgänge, Störungen in der Empfangsqualität, verfälschte Messwerte und fatale Fehleinschätzungen der Bordelektronik durch elektromagnetische Felder (EMV) müssen verhindert werden. Denn eine unerwartete Vollbremsung des Notfall-Bremsassistenten bei Tempo 130 kann sehr gefährlich sein.

Zum Ende des vergangenen Jahrhunderts gab es erste Fehlauslösungen von Airbag-Sensoren durch Funkeinstrahlungen. Seit dem sind unsere Fahrzeuge immer mehr mit Elektronik vollgestopft worden. Diese musste bislang z.B. besonders robust gegenüber den elektromagnetischen Feldern von Mobiltelefonen sein.

Damit Elektromobilität nicht zu einer ressourcenfressenden Anwendung für Kupfer wird, werden permanent die Betriebsspannungen nach oben gedreht. Denn Leistung ist nun mal das Produkt aus Spannung und fließendem Strom. Kupfer eines bestimmten Querschnittes trägt nur eine bestimmte Stromstärke. Will man mehr Leistung übertragen, ohne mehr Kupfer mit herum zu fahren, muß man unweigerlich die Spannung erhöhen.

Bei Leistungen von 50 KW und mehr pro Elektromotor in einem E-Mobile und Spannungen bis zu 1000 VDC und Strömen bis über 200 Ampere entstehen massive elektrische Felder. Daher ist der gesamte Hochvoltbereich eines Elektro-Fahrzeuges geschirmt. Andernfalls wäre ein sicherer Betrieb der vielen Sensoren, Aktoren, Recheneinheiten und Steuerelektronik-Baugruppen gar nicht möglich.

Zum Betrieb eines Elektroantriebes wird aus einer hohen Gleichspannung durch Zerhacken eine 3-Phasen-Wechselspannung mit variabler Frequenz erzeugt. Allein durch die wesentlich höheren Spannungen verfünfzigfachen (50x; 34db) sich die Störungen gegenüber herkömmlicher 12V/24V – Kraftfahrzeug-Elektronik. Hinzu kommen die steileren Schaltflanken moderner Motorelektroniken. Es entsteht ein sehr intensives und breites hochfrequentes Störspektrum.

Spezialisierte Prüflabore bieten entsprechende Messungen auf Fahrzeugebene, jedoch auch auf Baugruppen- und Geräteebene an. Besonders die hohen Spannungen und Stromstärken stellen auch diese Labore vor neue Herausforderungen.

Bereits in der Entwicklung werden die EMV-Richtlinien wie CISPR 25 oder ISO 11452 neben firmeninternen Vorgaben zur EMV berücksichtigt. Dennoch kann es passieren, dass sich Lücken in der Schirmung auftun. Im simpelsten Fall zum Beispiel durch den Austausch eines Metallgehäuse gegen ein Kunststoffgehäuse wegen des Gewichtsvorteils. Da Kunststoffe an sich keinen EMV-Schutz bieten, müssen nun entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, um den EMV-Schutz zu gewährleisten (quellen- und empfängerseitig).

CMC Klebetechnik bietet dafür verschiedene Produkte an, mit denen man Gehäuse und Baugruppen EMV-fest machen kann. Im Prinzip handelt es sich um metallische Folien und Gewebe in Form von Klebebändern oder Stanzteilen. Sie stellen den Inhalt eines Baukastens dar, mit dessen Hilfe man „EMV-Schirme“ erzeugen, verstärken oder miteinander verbinden kann. Dabei kombinieren die Produkte die leichte Montage von selbstklebenden Produkten mit der Funktionalität von metallischen Produkten für die EMV.

Leicht, flexibel effizient – CMC 80782 metallisiertes Vlies mit hoher Schirmleistung

Dieses sehr leichte und flexible PA-Vlies ist thermisch verfestigt. Die Fasern von CMC 80782 sind komplett ummantelt mit einer Zinn-Aussenschicht, die korrosionsbeständig ist. Das metallisierte Vliesklebeband kann auch auf 3D-geformte Oberflächen verklebt werden und schirmt bei 1 MHz mit 82 dB ab. Durch die „wirre“ Faserstruktur ist das Material trotz geringer Metallauflage (Gewicht) sehr effizient. Der alterungsbeständige Acrylatkleber ist elektrisch leitend eingestellt, so dass „simples“ übereinander Kleben bereits einen elektrische Kontakt erzeugen.

CMC 80829 – robust und beständig gegenüber Umwelteinflüssen – Korrosionsschutzbeschichtetes Gewebe mit Versilberung

Ein äußerst reißfestes und korrosionsschutz-beschichtetes Gewebe, dass dank der Versilberung der einzelnen Gewebefasern auch bei häufigen Begebelastungen elektrisch leitend bleibt. CMC 80829 schimt E-Felder gut ab. Der Kleber ist selbst für EPDM oder andere abweisende Oberflächen geeignet. Als spiralförmig verklebtes Wickelband oder leichtgewichtiges Stanzteil mit hoher mechanischer Festigkeit (Fallschirmseide, Ripstop-Nylon)

Klassiker bei E-Feld-Schirmungen – CMC 91743 Kupferklebeband mit elektrisch leitendem Kleber

Die Kupferklebebänder von CMC Klebetechnik gibt es als blanke Kupferfolie, mit beidseitiger Zinnplattierung und als Laminat mit Isolationsmaterialien.
CMC 91743 hat zusätzlich eine Beschichtung mit einem elektrisch leitenden Kleber. Dadurch ist auch mit diesem Material eine Kontaktierung z.B. mit der Schirmungserde leicht durch Verkleben zu erzielen. CMC 91815 ist die zinnplattierte Version, ebenfalls mit elektrisch leitendem Kleber und erheblich besserem Korrosionsschutz und auch Lötbarkeit.

EMV Stanzteile – vorgeformte Bauteile mit Schirmeigenschaften für Serienanwendungen

Der große Vorteil von Stanzteilen ist ihre feste, vorgegebene Form. Im Vorfeld der Anwendung kann man sich Gedanken darüber machen, wie das Formteil z.B. befestigt werden kann: selbstklebend, in Schienen, verschraubt oder eingeklemmt.

Um elektromagnetisch wirksam zu sein, werden für solche Stanzteile Metallfolien (meist Kupferfolien) verwendet. Diese sind oft in Isolationsfolien „eingepackt“, um einen elektrischen Kurzschluß zu vermeiden. Öffnungen für Kontaktfedern, blanke Metallnasen für das Anlöten oder einseitig blanke Löcher für Schraubbefestigungen sind genauso möglich wie kundeneigene Idee.
Durch die umfangreichen Weiterverarbeitungsmöglichkeiten (z.B. Schneidplotter, Hub- und Rotationsstanzen) sind Erstmuster genauso wirtschaftlich zu fertigen wie Großserien.

CMC Klebetechnik bietet einen ganzen Werkzeugkasten an, mit dem man elektromagnetische, aber auch allgemeine Isolationsaufgaben lösen lassen. Weitere Informationen findet man auf der Unternehmensseite https://www.cmc.de.

 

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Frequenzabhängigkeit der Durchschlagsspannung

Mit dieser Verschiebung zu höheren Frequenzen einher gehen auch neue Anforderungen an die Isolationumgebung von elektronischen und elektrischen Geräten.

Aus dem Bereich des „Hochfrequenzschweissens“ kennt man den Effekt der "inneren Erwärmung" von Isolierwerkstoffen. Besonders bei der Verarbeitung von PVC und Polyurethan (PU) können mit Hilfe dieser Technik hervorragende Schweißnähte erzeugt werden.
Der technisch-physikalische Hintergrund dazu: In einem hochfrequentes Wechselfeld werden durch Ladungsverschiebungen die (polaren) Moleküle mancher Kunststoffe zum Schwingen angeregt. Dieses Schwingen im ständig die Polarität wechselnden Feld erzeugt mechanische Arbeit im Material, das sich dadurch bis zum Erweichen erwärmt. Presst man zwei Folien zusammen, kann man so eine sehr gute Schweißnaht erzeugen, ohne von außen Wärmenergie zuführen zu müssen. Die Technik gilt als sehr prozessstabil und flexibel.

Was für die Herstellung von Klarsichthüllen oder ETFE-Membrankissen (Allianz-Arena München) gut ist, gerät bei der Anwendung als elektrische Isolationsfolie ggf. zum Desaster. Denn eine Isolationsfolie, die sich im Wechselfeld erwärmt, hat eine schlechtere Spannungsfestigkeit und altert vor allem schneller.

Die allermeisten Datenblätter von Materialien zur Elektroisolation liefern keinen Anhaltspunkt dafür, in welchem Maße die Durchschlagsspannung bei erhöhten Frequenzen sinkt.
Dennoch gibt es Hilfsmittel, die helfen, ein Isolationsmaterial in seinem Verhalten gegenüber hohen Frequenzen zu beurteilen. Ein wesentlicher Faktor ist dabei der dielektrische Verlustfaktor tan delta. Umso kleiner dieser ist, desto weniger stark wird das Material durch ein schnelles Wechselfeld polarisiert und erwärmt.

Typische „unpolare“ Materialien sind PE, PP, PTFE und auch noch PI. So findet man häufig Isolationen aus PTFE auch bei sehr hohen Frequenzen im GHz Bereich an Telekommunikations-Sendemasten.

Wesentlich kritischer sind Kunststoffe mit einem tan d > 0,01. Produkte wie PVC, PU, PA, PET-G, PVDF und PVF sind gut geeignet für das Hochfrequenz-Schweissen. Solche Folien sind dementsprechend bei Frequenzen über 1 MHz kritisch, da sich ihre elektrischen Eigenschaften gegenüber 50Hz-Angaben deutlich ändern. So sinken die Durchschlagspannung und die Alterungsbeständigkeit erheblich.

Leider machen nur wenige Hersteller auf diesen Umstand aufmerksam. Der häufig dennoch mögliche Einsatz von solchen Isolationsfolien gelingt wegen der großen Sicherheitsreserven in den Material- und Gerätenormen.
Heute versucht man allerdings zunehmend, an die Grenzen der Leistungsfähgikeit von Isolierstoffen zu gehen – Stichwort "immer kleiner und leistungsfähiger". Materialdicken werden reduziert, Luft- und Kriechstrecken verkleinert. Diese Entwicklung erhöht die Chance von sporadischen oder systematischen Ausfällen im Feld durch Fehler. Fehlern, die in der Ausgangskontrolle noch nicht entdeckt werden können, weil die Werkstoffe noch ungealtert sind.

Auf den Webseiten der CMC Klebetechnik (www.kapton-klebeband.de und www.cmc-klebeband.de) sind viele weiter Hinweise zu z.B. Alterungsverhalten von Isolierwerkstoffen, Teilentladungsbeständige Isolierfolien, Grundnormen für Isolationskoordination oder Wärmeleitung zu finden, die alle durch Themen in der Elektromobilität nochmals zusätzlich Aktualität gewinnen. Denn der Powertrain eines Hochvolt-Batteriefahrzeuges enthält eine große Zahl an Gründen, sich über Isolationseigenschaften, Eletromagnetische Verträglichkeit, Partial Discharge und Alterungsverhalten von Isolierstoffen Gedanken zu machen.

Einige typische tan d Werte (Angaben bei über 1 MHz sind sehr selten zu finden):

Material              Dielektr. Verlustfaktor

                             50 Hz                     1 MHz

PTFE                       0,0005                   0,0007
PS                           0,0009                   0,0005
PP                           0,0025                   0,0035
PE                           0,002                      0,002
PI                            0,003                      0,011
PEEK                        –                              0,03
PET                          0,02                         0,21
PVC                         0,12                         0,3
PVDF                       0,49                         1,7
PA (luftfeucht)          3,9                           1,3

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LED-Diffusionsfolien aus Makrofol® und Wärmemanagement-Lösungen für LED-Anwendungen

Insbesondere die geringere Wärmeentwicklung dieser elektronischen Lichtquelle erlauben heute den Einsatz anderer Werkstoffe wie PMMA oder Polycarbonat. LED-Leuchtmittel emittieren jedoch stark punktförmig das Licht, was gerade bei einer möglichst gleichmäßigen Ausleuchtung mit Licht störend ist.

Die Firma Covestro AG (ehem. BayerMaterialScience) hat sich dieses Themas angenommen. Die Diffusionsfolien bzw. Streufolien Makrofol® LM auf Polycarbonatbasis spreizen das punktförmige Licht so, dass punktförmige Lichtquellen wie LEDs (LED-Spots) zu einer gleichmäßig beleuchteten Fläche verschmelzen und somit die LED-Lichtquelle unsichtbar wird.
Sie erreichen ihren besonderen Streueffekt durch spezielle, in das Material eingebettete Streupigmente bei nur geringer Abschwächung der Lichtintensität an sich.

Durch die mit Makrofol® LM ausgerüsteten Lampen erzielt man eine homogene Ausleuchtung und es wird eine Mehrfachschattenbildung verhindert. Auch beim Einsatz in hinterleuchteten Bauteilen zeigt die Diffusionsfolie Makrofol® LM  bei einer vergleichsweise geringen Bautiefe eine gleichmäßig flächige Ausleuchtung.

Im Vergleich zu den bisher bekannten Diffusionsfolien mit Oberflächenstrukturierung oder Einfärbung wurde das Verhältnis von Streuwirkung zu Lichtdurchlässigkeit nochmals deutlich verbessert. Mit den Diffusionsfolien Makrofol® LM lässt sich das Licht mit minimalem Leuchtkraftverlust gleichmäßig verteilen.

Viele Gestaltungsmöglichkeiten durch eine Vielzahl verschiedener Folien

Makrofol® LM ist in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Die Unterschiede liegen vor allem bei der Lichtdurchlässigkeit (Transmissionsgrad) und der Streuwirkung (Halbwertswinkel*). 

Neben den Folien mit intrinsischer Streuwirkung gibt es auch Makrofol® LM – Folien mit aufgeprägten Linienrastern. Diese verbinden punktförmige Lichtquellen wie z.B. von LED`s zu einem Lichtband, was ganz erstaunliche Beleuchtungseffekt ergeben kann.

Aus dem großen Sortiment an Makrofol® LM – Folien kann für jede Anwendung die passende Diffusionsfolie gefunden werden. Das Verkleben von Polycarbonatfolien aus Makrofol® LM miteinander erfolgt mit Lösungsmitteln, Klebebändern (CMC Klebetechnik) oder Reaktionsklebern. Makrofol® LM Diffusionsfolien bzw. Streufolien lassen sich unter Zuführung von Wärme und Druck sowie mittels Ultraschallverfahren verschweißen und können z.T. thermoplastisch geformt werden.

Wärmemanagement für zuverlässige und hochwertige LED-Beleuchtungen

Obwohl LED-Beleuchtungen eine deutlich höhere Energieeffizienz vorweisen können, muß dennoch auf ein ausreichendes Wärmemanagment geachtet werden. Denn bei LED`s entsteht das Licht innerhalb einer sehr kleinen Fläche. Der lichtemittierende Halbleiterkristall (Elektrolumineszenz) erwärmt sich erheblich und muss gekühlt werden.

Bei geringen Leistungen kann diese Kühlung sehr simpel ausfallen oder man kann sogar gänzlich darauf verzichten, da die Anschlussleitungen schon als „Kühlkörper“ ausreichen. Bei Leistungs-LED`s jedoch ist eine bewusste Wärmeableitung notwendig.

LED`s besitzen eine Lebensdauer von 30.000 bis 50.000 Stunden. Damit sie über diese Zeit zuverlässig arbeiten, müssen sie vor Überhitzung geschützt werden. Denn permanent zu warm betriebene LED`s verändert auch ihre Farbtemperatur (die Farbe verändert sich) und Lichtleistung, was sich negativ auf den Lichteindruck auswirken kann.

Aus den oben genannten Gründen werden leistungsfähigere Highpower LED`s bereits herstellerseitig auf einem Metallträger (Miniplatinen, Stars) montiert. Die Idee dahinter ist eine massive Verbreiterung des Wärmeleitpfades. Denn neben der materialspezifischen Wärmeleitfähigkeit geht in die Berechnung des Wärmewiderstandes auch die Fläche mit ein.
Die Miniplatine mit Metallkern kann nun z.B. auf einem Kühlkörper (passive Konvektionskühlung), einer Metallschiene oder einem Peltier-Element (aktive Kühlung, auch möglich: Lüfter) montiert werden.

Schlechter Wärmeübergang reduziert die Wärmeleitung merklich

Bei der Betrachtung des Wärmepfades ist zu beachten, dass durch Oberflächenrauigkeit oder Verformungen infolge thermischer Ausdehnung sich die Anbindung der Miniplatine an einen Kühlkörper verschlechtern kann. Luft ist ein ausgesprochen schlechter Wärmeleiter und daher sind Lufteinschlüsse im Wärmepfad unbedingt zu vermeiden. Ein effizienter Weg ist der Einsatz von Phase-Change Materialien. Diese dünnen wärmeleitenden Schichten schmelzen beim Überschreiten von ca. 50-60°C auf und füllen die Luftkavitäten auf. Die Folge davon ist eine formschlüssige Verbindung zwischen Hochleistungs-LED und Wärmesenke mit guter thermischer Leitfähigkeit.
Die Bedeutung von Übergangswiderständen von einer Oberfläche auf die nächste innerhalb eines Wärmeleitpfades sollte man nicht unterschätzen.

Im Programm der wärmeleitenden Produkte der CMC Klebetechnik gibt es

  • nicht isolierende Produkte (Aluminiumfolie mit wärmeleitenden Beschichtungen)
  • elektrisch isolierende Produkte (z.B. Kapton MT+ Folien mit wärmeleitenden Kleberbeschichtungen)
  • Distanzausgleichende Produkte (Gapfiller bis 10 mm Dicke)
  • Wärmeleitende, doppelseitige Klebebänder für Montage und  Befestigung (z.B. Nitto TR-5320F)

Um die verschiedenen Produkte problemlos einsetzen zu können, ist eine anwendungsgerechte Aufmachung wichtig. Mehrere modulare und flexible Stanzmaschinen, zwei hochpräzise Schneidplotter bis 2050 x 3050 mm Teilegröße sowie etliche Schneid- und Laminiermaschinen lassen kaum einen Wunsch offen. Es können Prototypen-Stückzahlen gefertigt werden, aber auch große Stückzahlen auf rotativen Stanzanlagen. Kundenindividuelle Beschichtungen können auf einem Pilotcoater (Fertigungsbreite 300 mm) schnell und kostengünstig otimiert werden.

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The fifth building material – Maintenance of ETFE constructions (maintenance des verrières gonflables en ETFE )

The ETFE is a modified copolymer which is extruded into a thin film. The material is ageing resistant, self-cleaning and transparent. It is unaffected by UV light, atmospheric pollution or weathering and extensive testing has shown an anticipated life expectancy in excess of 40 years (used e.g. for green house cladding). The material is self-extinguishing and it is resistant to normal hailstorms.

Single layer constructions are supported by a cable net. Cushions are formed from multiple layers of ETFE. The foil is extremely thin: each layer is between 50 and 300 µm thick, it enables very high levels of light transmission in both the visible (94-97%) and ultraviolet range (83-88%). Together with light weight perimeter frames it is easily possible to have buildings which appear like as they were built of not much more than air. Architectural roofing designs are revolutionized by these ETFE-films since many years now. Also greenhouses (horticultural and industrial) and wall coverings, anti-graffiti protection for high traffic areas and solar collectors are applications, ETFE is used for due to its excellent properties. ETFE has only 1% the weight of glass, is 100% recyclable and is self-extinguishing.

Despite these advantages of ETFE films there are some problems appearing according to the low thickness of the material. Usually cushions are stabilized by inflating with dry air. Especially on rooftops birds love to land there and peck at their food to break it up before swallowing. The bigger the bird the more powerful their pecking action will be. It is widely known that ETFE roofs and Canopies installed nearby or close to stages (e.g. Allianz Arena Munich) or the sea suffer most of this problem. This is because Ravens, Crows or Seagulls use the ETFE roof membranes as an ideal platform to stop and peck at food rubbish or shellfish, crabs and the occasional stolen chip. This often vigorous and powerful pecking action causes punctures and tearing to the ETFE Membrane, opening holes where the inflating air can leak. This causes higher operation cost or the possibility of fatal destruction of a complete cushion.

Fortunately the ETFE material is resistant to tear growth so that it is easy to repair such holes and tears on-site by using a special adhesive tape from CMC Klebetechnik. This transparent tape is made of the same material as the cushion itself: an 100µm ETFE-film. The adhesive sticks good to the cushion surface and is similar resistant to UV and weathering as the ETFE. It is resistant against creeping of water under the adhesive tape and elastic as the base material of the cushion.
This is why CMC 77700 ETFE adhesive tape is ideal for repairing of damages (minor tears or holes) or reinforcement e.g. under supporting cables of single layer constructions. No need to replace individual elements of a roofing construction can save a lot of money. And due to the transparency of the adhesive tape, repairs are nearly invisible. Maintenance with ETFE adhesive tapes from CMC Klebetechnik reduce costs, time and effort for repair.

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