Wärmemanagement für die Automobilindustrie

Miniaturisierung und Systemintegration stehen bei der Entwicklung von Automobilelektronik im Vordergrund, die ihrerseits von der Nachfrage nach Fahrzeugen mit höherer Kraftstoffeffizienz, verbesserter Sicherheit, nahtloser Konnektivität und autonomer Funktionalität angetrieben wird. Infolgedessen hat sich das Design der Schaltkreise weiterentwickelt, um der Forderung nach einer höheren Energieausbeute nachzukommen.

Mit kleineren elektronischen Komponenten und einer höheren Energiedichte wird das Wärmemanagement in Fahrzeugen zu einem Problem.

Da die kleineren Geräte weniger Oberfläche haben, um als Kühlkörper zu fungieren, bleibt die Wärmeableitung von diesen Systemen eine Herausforderung für den Betrieb und die Sicherheit.

Das Wärmemanagement ist ein sich entwickelnder Zweig des Fahrzeugdesigns, der fortschrittliche thermische Schnittstellenmaterialien (TIMs) verwendet, um eine bessere Wärmeableitung von den Schaltkreisen zu ermöglichen.

Wärmemanagement im Fahrzeuginneren

Einige der wichtigsten wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten im Fahrzeuginnenraum sind:

Fahrzeug-Infotainment-Systeme

Diese hochintegrierten, leistungsstarken Systeme mit mehreren Displays, über die der Fahrer eine Vielzahl von Funktionen wie Bluetooth, GPS, Audio usw. steuert.

Die Herausforderung: Die heutigen Infotainment-Systeme enthalten eine große Anzahl von Schaltkreisen und LED-Chips, die viel Wärme erzeugen, was ein angemessenes Wärmemanagement erforderlich macht.

Erweiterte Fahrerassistenzsysteme (ADAS)
ADAS integriert mehrere Systeme im gesamten Fahrzeug, wie z. B. Sensoren, Kameras, Konnektivitätsfunktionen und vor allem ein Datenmodul, das die von den verschiedenen Komponenten erhaltenen Informationen kombiniert.

Die Herausforderung: Der hohe Datenoutput dieser Systeme erfordert eine effektive Wärmeableitung, die eine kontinuierliche Zuverlässigkeit und Funktion gewährleistet.

Thermomanagement außerhalb der Fahrzeugkabine

Außerhalb der Fahrgastzelle wird das Wärmemanagement etwas komplexer, da die Komponenten nicht nur höheren Betriebstemperaturen, sondern auch verschiedenen Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit, Salzen, korrosiven Dämpfen und extremen Wetterbedingungen ausgesetzt sind.

Oft sind sie zum mechanischen und physikalischen Schutz versiegelt, was die Ableitung überschüssiger Wärme und Kühlung zusätzlich erschwert.

Zu diesen Komponenten gehören:

Motorsteuergeräte (ECUs)
ECUs steuern alle elektronischen Aspekte eines Fahrzeugs, vom Antriebssystem bis zur Zentralverriegelung. ECUs sind auf einen ununterbrochenen Datenfluss zwischen Eingangssensoren und Ausgangskomponenten angewiesen, um die Motorfunktion zu steuern.

Die Herausforderung: Aufgrund der großen Menge an Informationen, die von diesen Systemen generiert werden, ist das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung, um die Funktionsintegrität und Kontinuität zu gewährleisten.

Steuerung des Bremssystems
Diese und andere Sensorklassen sind weitere Systeme, die sich außerhalb der Fahrgastkabine befinden und Wärme erzeugen.

Die Herausforderung: Eine schnelle und effiziente Wärmeableitung von diesen Systemen ist für den reibungslosen und sicheren Betrieb jedes Fahrzeugs entscheidend.

E-Mobilität mit noch größeren Herausforderungen für das Wärmemanagement

Der Aufstieg von Unternehmen wie Tesla hat die Automobilhersteller gezwungen, ihre Unternehmensstrategien neu zu definieren und sich an die Marktnachfrage anzupassen, die von neuen Verbraucherpräferenzen angetrieben wird. Die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) stellt die Automobilhersteller vor neue konstruktive Herausforderungen, um die Herstellungskosten zu senken, die Batteriereichweite zu erhöhen, das Gewicht zu reduzieren und die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Wie Verbrennungsmotoren sind auch Antriebsstränge das Herzstück von Elektrofahrzeugen. Die Hauptkomponenten in Elektrofahrzeugen sind

• das Batteriepaket,
• der Elektromotor und
• das Energieumwandlungssystem.

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen ist die Maximierung der Leistungsabgabe bei gleichzeitiger Minimierung von Größe und Gewicht der Batterie.

Eine Strategie besteht darin, das Energieumwandlungssystem und den Elektromotor in einer einzigen Einheit zusammenzufassen und gleichzeitig die Größe der einzelnen Komponenten zu verringern. Dieser Ansatz verbessert zwar die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad des E-Antriebs, erhöht aber das Risiko eines Motorausfalls aufgrund von Überhitzung. Daher ist das Wärmemanagement in beiden Komponenten von entscheidender Bedeutung.

Elektromotoren

Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um und sind eine der Hauptkomponenten von EV-Antriebssträngen.

Herausforderung: Wärme kann die Leistung eines Motors verringern und seine Lebensdauer verkürzen. Daher ist es wichtig, die Wärme schnell und effizient vom Motor wegzuleiten.

Energieumwandlungssysteme

Die Leistungselektronik des Fahrzeugs ist der Teil des Antriebsstrangs, der die elektrische Energie steuert und an die anderen Systeme weiterleitet sowie die Drehzahl und das Drehmoment des Motors steuert. Sie besteht aus drei elektronischen Hauptkomponenten:

• dem On-Board-Ladegerät (OBC),
• dem Wechselrichtersystem (IGBT-Module) und
• dem DC/DC-Wandler.

Um Platz zu sparen und das Gesamtgewicht zu senken und damit die Reichweite zu erhöhen, konzentrierte sich die Konstruktionsstrategie auf die Verkleinerung und Konsolidierung der Komponenten.

Die Herausforderung: Diese Komponenten arbeiten mit hohen Spannungen und verbrauchen viel Energie, was zur Verkürzung der Ladezeit beiträgt. Die erzeugte Wärme lässt sich jedoch nur schwer regulieren, da die reduzierte Größe der Komponenten weniger Oberfläche für die Wärmeableitung bietet.

Batteriesysteme

Das Design dieser Systeme hat einen großen Einfluss auf die Reichweite, die Leistungsdichte, die Ladezeit und die langfristige Leistung eines Elektrofahrzeugs.

Eine Herausforderung: Wie bei allen elektronischen Bauteilen wird das Wärmemanagement umso schwieriger, je kleiner die Batteriepakete werden. Neben dem Wärmemanagement muss auch die strukturelle Integrität der Verbindung von Zelle zu Zelle und Zelle zu Pack garantiert werden.

Lösungen für das Wärmemanagement im Automobilbereich

Um diese vielfältigen Designherausforderungen zu lösen und auch um Optionen für unsere OEM-Partner zu schaffen, haben wir eine große Auswahl an fortschrittlichen thermischen Materialien entwickelt, einschließlich Gap Pads, Wärmeleitpasten, thermisch leitfähiger Klebstoffe (TCAs) und Wärmeleitvergußmassen.

Unsere Wärmeleitpasten und Gap Filler verdrängen Luft an der Schnittstelle zwischen Bauteil und Kühlkörper, um die Wärmeableitung zu unterstützen. Unsere Gapfiller, die eine der höchsten Wärmeleitfähigkeiten in der Branche aufweisen, sind eine vielversprechende Wahl, um die Wärme von Batteriezellen effizient aus den Batteriemodulen und dann aus den Batteriepacks selbst zu leiten.

Wärmeleitkleber erfüllen eine ähnliche Funktion, sorgen aber für zusätzliche strukturelle Integrität, indem sie eine dauerhafte Verbindung an der Schnittstelle von zusammenpassenden Oberflächen schaffen. Sie werden häufig in Infotainment-, autonomen und ADAS-Systemen in Fahrzeugen eingesetzt. In Elektrofahrzeugen werden sie üblicherweise für die Verbindung von Zelle zu Zelle und von Zelle zu Pack verwendet, um die strukturelle Integrität und die Kühlung der Packs zu gewährleisten.

Schließlich tragen unsere Wärmeleitvergussmassen dazu bei, die Komponenten vor Überhitzung zu schützen und bieten gleichzeitig einen hervorragenden Schutz vor Stößen, Schlägen und anderen Umwelteinflüssen. Sie haben sich beim Wärmemanagement von Steuergerätesensoren und LED-Leuchten als äußerst effektiv erwiesen.

In Elektrofahrzeugen sind unsere Vergußmassen zuverlässige Wärmemanagementmaterialien, die den Herstellern helfen, kleinere und dennoch zuverlässigere Elektromotoren mit höherer Leistungsdichte zu bauen.