Isolation und Isolationswerkstoffe sind zentrale Themen der Elektrotechnik und somit auch der Elektromobilität. Gerade in mobilen Anwendungen bestehen neben den Anforderungen wie ein hoher elektrischer Widerstand und Durchschlagsfestigkeit/Breakdown Voltage auch Gewichtsanforderungen, sowie auch Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit. So müssen beispielsweise auch Verschleißschutz, Abriebfestigkeit und Penetrationsschutz ebenso Feuchtigkeitsbeständigkeit der Isolation und der angrenzenden Kontaktflächen gewährleistet sein. Eine weitere Herausforderung ist oft eine gewünschte Wärmeleitfähigkeit/Thermomanagement zur Entwärmung von Leistungsbauteilen und Batteriezellen.
Anforderungen an die Isolation
An die elektrischen Eigenschaften der Isolationswerkstoffe werden Anforderungen gestellt, wie
- ausgezeichnete Isolationseigenschaften, hoher elektrischer Widerstand
- hohe Durchschlag- und Kriechstromfestigkeit
- zuverlässige Funktionserfüllung und Alterungsbeständigkeit unter den gegebenen Umgebungsbedingungen wie Temperaturen, Feuchtigkeit, Medien, UV-Strahlung u.ä.
- Flammschutz, halogenfreie Flammwidrigkeit
- antistatische Eigenschaften
In mobilen Anwendungen bestehen zusätzliche Anforderungen an den Isolationswerkstoff wie z.B.
- Gewichtsanforderungen
- Tragfähigkeit, Penetrationsfestigkeit, Verschleiß- und Abriebfestigkeit bei hohen lokalen Pressungen z.B. durch Vibrations- und Schockbelastungen, Windlasten und Wellengang, Verformungen und Temperaturwechseln usw.
- geringe Relaxation und Kriechneigung unter Beanspruchung
- keine Durchdringung der Isolation, keine Penetration der Isolation im Betrieb, in der Regel in Verbindung mit Sauberkeitsanforderungen an Bauteile, die Montage und Schutzklassen im Betrieb
- keine wesentliche Veränderung der funktionsrelevanten Werkstoffeigenschaften unter den Betriebsbedingungen z.B. Temperaturbereich, Feuchtigkeit, Verschmutzung
- REACH-RoHS Konformität, CE-Stoffverbote etc.
Isolationswerkstoffe und Isolationslösungen
Eine Herausforderung bei mobilen Anwendungen ist die Abrasion z.B. von Korrosionsschutzschichten oder von Isolierschichten durch die Beanspruchung und die Relativbewegungen im Kontakt. Relativbewegungen werden auch durch Temperaturunterschiede und die damit verbundene Wärmeausdehnung verursacht.
Darüber hinaus wird oft zwar eine elektrische Isolation gefordert, jedoch eine thermische Leitfähigkeit gewünscht, um das Thermomanagement zu ermöglichen. Die Wärmeableitung und Entwärmung ist für Leistungsbauteile oder Batteriezellen von entscheidender Bedeutung.
Keramiken waren erste Isolationswerkstoffe und werden aufgrund der vergleichsweisen guten Wärmeleitfähigkeit nach wie vor eingesetzt. Weitere Werkstoffe sind Epoxidharze, flammgehemmte Polypropylenfolie oder Polyesterklebebänder mit drucksensitivem Acrylatklebern. Zur verbesserten thermischen Kontaktierung von Leistungsbauteilen und Batteriezellen werden auch Pasten und Thermal Interface Materials (TIM) eingesetzt.
Jeder dieser Werkstoffe hat seine Stärken und Vorzüge. Zur Steigerung der Robustheit und Sicherheit bewährt sich das Prinzip der Ergänzung. Gerade bei hohen Anforderungen, die schwer zu vereinen sind, unterstützen sich die Eigenschaften verschiedener Isolationswerkstoffe. So entstehen Funktionsschichten, die sowohl hinsichtlich elektrischer als auch mechanischer Anforderungen optimiert sind. Darüber hinaus bestehen Möglichkeiten wie auch der Isolationsüberwachung und -diagnose.
Prinzip der Funktionstrennung und Ergänzung in den Stärken verschiedener Isolationswerkstoffe z.B. Vermeidung des Unterkriechens durch Feuchtigkeit und Wasser oder Steigerung der Verschleißfestigkeit und Sicherheit durch geprüfte Folien.
Gerade in mobilen Anwendungen bestehen neben den Anforderungen wie ein hoher elektrischer Widerstand und Durchschlagsfestigkeit/Breakdown Voltage auch Gewichtsanforderungen, sowie auch Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit. So müssen beispielsweise auch Verschleißschutz, Abriebfestigkeit und Penetrationsschutz ebenso Feuchtigkeitsbeständigkeit der Isolation und der angrenzenden Kontaktflächen gewährleistet sein. Eine weitere Herausforderung ist oft eine gewünschte Wärmeleitfähigkeit/Thermomanagement zur Entwärmung von Leistungsbauteilen und Batteriezellen. Wichtige Anforderungen und Eigenschaften zur Erfüllung der Funktionen prüfen wir in unserem Labor.
Testing, Analyse und Verifikation
In unsren Prüflaboren verifizieren wir wichtige Anforderungen und Eigenschaften zur Erfüllung der Funktionen. Dazu zählen neben den elektrischen auch die mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Verschleiß- und Abrasionsfestigkeit aber auch Medienresistenz und Alterungsmechanismen.
Beschleunigte Alterungstests von lsoliersystemen in elektrischen Maschinen: Die Systeme und deren Komponenten müssen die oben genannten betrieblichen Anforderungen während der gesamten Lebensdauer standhalten. Um diesen Anforderungen zu genügen, werden die Alterungsprozesse/Alterungsmechanismen und Verschleißmechanismen von lsoliersystemen bereits im Entwicklungsprozess berücksichtigt. Zur Untersuchung verschiedener spezifischer Mechanismen, die durch kombinierte Belastungen auftreten, wurden Modelle und Methoden zur Simulation entwickelt.
Isolationsüberwachung
Vorteil der Überwachung ist die Detektion von Veränderungen und bereits von Erst-Fehlern und damit die Vermeidung von sicherheitskritischen Folgefehlern.
Bewertung und Nachweis der Isolationskoordination von Systemen
Die Isolationskoordination besteht aus einem Nachweis, ob die elektrische Isolierungen einerseits und die Robustheit der elektrischen Isolierungen andererseits den Spannungsbeanspruchungen standhalten.
Die Norm DIN EN 60071 (VDE 0111) Isolationskoordination nennt als Bemessungsgrößen:
Mindestluftstrecken zur Vermeidung eines elektrischen Durchschlags. Diese sind von den Mikro-Umgebungsbedingungen unabhängig, sofern sie eine bestimmte Mindestgröße überschreiten.
Mindestkriechstrecken für die Verschmutzungsgrade 1 bis 4 zur Vermeidung des Versagens infolge Kriechwegbildung entlang der Isolierstoffoberfläche.
Mindestkriechstrecken zur Vermeidung des elektrischen Überschlags entlang der Isolierstoffoberfläche.
Profitieren Sie von unserem Know-How in den Bereichen Tribologie und Verschleißschutz sowie Isolationslösungen für die Elektromobilität. Weitere Information erhalten Sie gerne in einem unverbindlichen und persönlichen Gespräch:
Link zur Kontakt-Seite