Stecker für Elektroauto-Inverter
Verbindungen für die Elektromobilität
Eine Schlüsselfunktion innerhalb von Invertern für Elektroautos kommt den Steckverbindern zu. Sie müssen Signale, Daten und hohe Ströme trotz der anspruchsvollen Bedingungen zuverlässig, sicher, schnell und ohne Verluste übertragen. Hierzu müssen die Stecker spezifische Eigenschaften aufweisen.
Inverter, die im Elektroauto im Einsatz sind, tragen dazu bei, dass das Gefährt sicher, effizient und zuverlässig funktioniert und eine hohe Leistung erzielt. Hierfür müssen sie vielerlei Anforderungen erfüllen. So müssen sie zum Beispiel kompatibel mit anderen Systemen im Elektroauto sein, wie Batterie, Elektromotor und Steuerungseinheit. Außerdem müssen sie sich einfach integrieren lassen, um den Aufbau des Elektroautos zu vereinfachen und Zeit und Kosten zu sparen. Zudem ist eine hohe Effizienz unerlässlich, um große Reichweiten zu ermöglichen.
Auch Zuverlässigkeit, Kosteneffektivität und Überlastungsschutz müssen gegeben sein. Eine zuverlässige Funktionsweise ist erforderlich, um eine stabile Funktion für sicheres und unterbrechungsfreies Fahren garantieren zu können. Inverter müssen darüber hinaus erschwinglich für die wirtschaftlichen Anforderungen des Elektroautos sein. Und schließlich sollten Inverter mit einer Schutzfunktion ausgestattet sein, um Überlastung und Überspannung zu vermeiden bzw. das Elektroauto und seine Komponenten zu schützen.
Bezüglich technischer Anforderungen spielen Temperaturbeständigkeit, Kompaktheit, Leistungsfähigkeit sowie Robustheit eine zentrale Rolle. So müssen die Inverter:
➔ in einem weiten Temperaturbereich funktionieren und stabil sein, um in einem Fahrzeug eingesetzt zu werden
➔ platzsparend und leicht sein, denn jedes zusätzliche Gewicht mindert die Reichweite eines Elektroautos
➔ eine hohe Leistung bei der Strom- und Datenübertragung aufweisen, um den Bedürfnissen des Elektromotors und anderer Systeme zu entsprechen
➔ widerstandsfähig gegenüber Um- welteinflüssen, Schock und Vibrationen sein.
Jobangebote+ passend zum Thema
Anforderungen an Automotive-Steckverbindersysteme
Inverter koppeln die unterschiedlichen Komponenten im Fahrzeug, wie den Batteriespeicher mit dem Elektromotor. Hierbei müssen sie die oben aufgeführten Anforderungen erfüllen. Die Verbindungsfunktion zwischen den Leiterplatten in den Invertern übernehmen Steckverbinder. Diese sind dafür verantwortlich, die Signale, Daten und Ströme zuverlässig, sicher, schnell und ohne Verluste übermitteln. Für die Steckverbindungen gelten daher vergleichbare Anforderungen.
Temperaturbeständigkeit
Die Materialien der Steckverbinder sollten hohe Temperaturen aushalten, angepasst an die Einsatzbedingungen im Auto. Bei der Auswahl des richtigen Steckerbinders stehen für den Isolierkörper eine Vielzahl an Kunststoffmaterialien zur Verfügung. Sehr gute Eigenschaften weist in diesem Zusammenhang das Material LCP (Liquid Crystal Polymers) auf. Ein LCP-Isolierkörper bietet eine sehr hohe Maß- sowie Wärmestabilität, eine hohe Steifigkeit, auch bei dünnwandigen Bauteilen, und einen geringen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Aus der Brennbarkeitsklasse UL 94 V-0 resultieren Betriebstemperaturen bei Steckverbindern mit LCP-Isolierkörpern von -55 °C bis 125 °C.
Kompaktheit und Flexibilität
Steckverbinder mit einem kleinen Rastermaß eignen sich sehr gut für den Einsatz im Inverter, da sie platzsparend sind, nur wenig Bauraum auf der Leiterplatte benötigen und somit sehr kompakt sind. Eingesetzt werden hierfür beispielsweise Systeme mit einem Rastermaß von 1,27 mm, 0,8 mm oder 0,5 mm. Aber nicht nur klein sollten die Stecker sein, sondern auch anpassungsfähig an die unterschiedlichsten Anforderungen. Dies betrifft beispielsweise die benötigten Bauhöhen, Polzahlen oder Leiterplattenanordnungen. Bei Steckverbindern wie zum Beispiel dem One27 von Hersteller ept ermöglichen die Vielzahl der Bauformen die Verbindung von Leiterplatten in paralleler, horizontaler oder rechtwinkliger Anordnung sowie den Anschluss von Flachbandkabeln auf die Leiterplatte.
Der One27 erlaubt eine stufenlose Realisierung horizontaler Leiterplattenabstände von 8 mm bis zu 20 mm. Dies wird ermöglicht durch die Ausführung des Steckgesichts mit einer Kontaktüberdeckung von 2,4 mm (Bild 1). Durch den Einsatz einer Kabelverbindung lassen sich je nach Anwendung Toleranzen in alle Richtungen ausgleichen und individuell erforderliche Leiterplattenabstände realisieren.
Leistungsfähigkeit
Gute Signalintegritätseigenschaften, die für die Qualität der Datenübertragung von Sender zu Empfänger stehen, sowie der Schutz der Signale sind eine Grundvoraussetzung für den Einsatz in Invertern. Denn die vom Steckverbinder übertragenen Daten dienen dazu, dass der Inverter Daten intelligent und in Echtzeit an die gekoppelten Verbraucher übermitteln kann.
Die Qualität der Datenübertragung hängt dabei von drei Kriterien ab:
➔ Das erste Kriterium ist der Impedanzverlauf eines Steckverbinders. Sobald sich im Übertragungsweg die Impedanz verändert, wird das Signal reflektiert, was die Qualität der Datenübertragung verschlechtert. Bereits eine Material- oder Geometrieänderung kann bewirken, dass die Impedanz schwankt.
➔ Eine weitere Kennzahl bei der Datenübertragung ist die Einfügedämpfung, auchInsertion Loss genannt. Sie ist ein Maß dafür, wie stark ein Steckverbinder ein Signal abschwächt. Die Einfügedämpfung berechnet sich als Verhältnis zwischen am Bauteil einfallender und durchgelassener Signalleistung. Dieser Parameter hilft bei der Bewertung, ob der Empfänger ein Signal über den gesamten Übertragungsweg hinweg eindeutig identifizieren kann. Zieht man als Kriterium für die Datenrate – etwa beim Zero8-Steckverbinder von ept, einem SMT-Steckverbinder im Raster 0,8 mm mit ScaleX-Technologie – einen typischen Wert der Einfügedämpfung von -3 dB heran, ergibt sich bei 8 GHz eine Übertragungsgeschwindigkeit von mindestens 16 Gbit/s.
➔ Als drittes Kriterium kann das Übersprechen bei der Signalübertragung herangezogen werden. Übersprechen ist die unerwünschte Beeinflussung eines Signals durch ein Signal auf einer anderen Leitung, wobei je nach Art der Beeinflussung in Nah- und Fernübersprechen unterschieden wird. Die Stärke des Übersprechens hängt maßgeblich von der Signal- und Massebelegung ab.
Die Signalintegritätseigenschaften eines Steckverbinders lassen sich durch einen EMV-Schutz verbessern. Elektromagnetische Störungen lassen sich bei Steckverbindern durch ein Schirmkonzept reduzieren. Die Koppelinduktivität simuliert den Steckverbinder sowohl als Störquelle oder als Störsenke. Anhand der farblichen Verläufe und den Werten der Koppelinduktivität kann man die Wirkung des Schirmkonzeptes in Bild 2 erkennen.
Durch den Einsatz des geschirmten Zero8-Steckverbinders können Störquellen und Störsenken auf der Leiterplatte näher zueinander positioniert werden. Auch lassen sich dadurch höhere Leistungsklassen bei den vorgeschriebenen Burst- und Surge-Prüfungen des elektrischen Gerätes erreichen. Neben den Signalintegritätseigenschaften ist auch die Stromtragfähigkeit eines Steckverbinders zur Übertragung der Leistung ein wichtiger Aspekt. Fließt ein elektrischer Strom durch einen Widerstand, führt dies zu Verlustleistung, der sich in Erwärmung des Materials äußert. Je höher dabei der Stromfluss, desto stärker erwärmt sich dabei auch der Leiter. Die Temperatur, die auf ein elektrisches Bauteil einwirkt, ist maßgeblich für dessen ordnungsgemäße Funktionsweise entscheidend, denn elektrische und mechanische Eigenschaften verändern sich in Abhängigkeit von thermischen Einflüssen.
Mithilfe von Strombelastbarkeitskurven lässt sich ermitteln, wie viel Strom bei einer gegebenen Umgebungstemperatur durch einen Kontakt geführt werden darf, um die maximal zulässige Grenztemperatur des Bauteils nicht zu überschreiten. Die Derating-Kurve in Bild 3 zeigt beispielhaft, wie sich beim Steckverbinder Zero8 in Abhängigkeit der Polzahl und Anzahl stromführender Kontakte unterschiedliche Stromangaben pro Kontakt ergeben. Wie im Bild zu sehen ist, erreicht ein Steckverbinder mit 12 Pins (blaue Kurve) eine bessere Stromtragfähigkeit im Vergleich zu einem Steckverbinder mit 80 Pins (grüne Kurve). Grund hierfür ist eine geringere Hotspot-Bildung im Inneren von Steckverbindern mit kleiner Polzahl: Hier entsteht weniger Wärme und diese kann besser verteilt werden. Noch besser wird die Wärme abgeleitet, wenn der Strom nur über einen kleinen Anteil der Kontakte geführt wird (rote Kurve).
Um dauerhaft hohe Ströme führen zu können, muss der Isolierkörper eines Steckverbinders aus hitzebeständigem Material sein. Hierzu eignet sich ein wärmebeständiges LCP- oder PBT-Material. Ein konstanter Kontaktquerschnitt ermöglicht darüber hinaus, dass hohe Ströme über den Kontakt geführt werden, ohne eine partielle Überhitzung des Kontaktes zu riskieren. Die Vermeidung von Querschnittsänderungen wirkt sich außerdem positiv auf den Impedanzverlauf und damit auf die HF-Eigenschaften eines Steckers aus.
Robustheit
Der Einsatz im Automobil erfordert auch einen robusten Steckverbinder, das gilt sowohl für den Betrieb als auch für die Montage. Die Widerstandfähigkeit von Steckverbindern lässt sich nicht pauschal in einem Wert ausdrücken, sondern sie kann sich auf gänzlich unterschiedliche Aspekte der Verbindungstechnik beziehen.
Bei SMT-Steckverbindern zeigt sich die Robustheit beispielsweise in der Ausführung des Kontaktprinzips zwischen Messer- und Federleiste mit einer doppelten Kontaktierung (Bild 4), der Qualität der Kontaktbeschichtung für einen geringen Oberflächenabrieb oder den Lötfüßen, die für eine optimale Meniskusbildung ausgelegt sein müssen. Auch bei der Verarbeitung und Handhabung von SMT-Steckverbindern ist es wichtig, dass diese möglichst robust sind. Beim Stecken selbst ermöglichen Einführschrägen und ein großzügig ausgelegter Fangbereich einen hohen Toleranzausgleich und dienen dazu, die Handhabung von Steckverbindern möglichst einfach zu gestalten.
Steckverbinder sind in einem Inverter Schock und Vibrationen ausgesetzt, da sie in der Regel motornah angebracht werden. Schock und Vibrationen gefährden den konstanten und störungsfreien Kontakt zwischen Leiterplatte und Steckverbinder sowie auch zwischen Steckverbindungen untereinander. Eine zuverlässige und haltbare Kontaktierung zwischen einem Steckverbinder und der Leiterplatte erreicht man unter anderem durch Einpresstechnik. Damit lassen sich hohe Haltekräfte zwischen Steckverbinder und Leiterplatte realisieren. Denn die Haltekräfte entscheiden über die mechanische Verbindung, die wiederum Schock und Vibration trotzen muss. Diese Anschlusstechnik ist ein bewährtes Verfahren, bei dem ein Einpressstift in ein Leiterplattenloch gepresst wird und durch mechanische Verformung des Stiftes eine gasdichte, korrosionsfreie, niederohmige und elektrisch sicher leitende mechanische Verbindung entsteht, welche sich auch für den Verguss eignet. Der Hersteller ept beispielsweise bietet Katalogprodukte sowie auch kundenspezifische Lösungen mit dieser Verarbeitungstechnik an.
Bei diesem Verfahren besitzt der Einpressstift eine größere Diagonale als der Lochdurchmesser der Leiterplatte. Der Steckverbinderstift ist in der Einpresszone flexibel, damit die Leiterplatte durch die physikalischen Kräfte beim Einpressvorgang nicht verformt oder beschädigt wird. Die Verformung beschränkt sich also auf die Einpresszone (Bild 5). Während des Einpressvorgangs entsteht eine Kaltverschweißung zwischen dem Kontaktstift und dem metallisierten Leiterplattenloch, welche die Verbindung mechanisch stark belastbar macht, ohne die Leiterplatte thermisch mit einem Lötvorgang zu belasten. Sie wird darüber hinaus in der DIN EN 60352-5 spezifiziert und bleibt auch bei sehr hohen mechanischen und thermischen Belastungen, wie Vibration, Biegung und starken Temperaturwechseln kontaktsicher und hält Schockbelastungen von bis zu 200 g stand. Durch die Einpresstechnik zeichnet sich der Flexilink-Steckverbinder von ept durch besondere Qualitätsmerkmale aus:
➔ Geringer Düseneffekt (d. h. Verformung der Leiterbahn)
➔ Vermeidung kalter Lötstellen und Kurzschlüsse durch Lötbrücken
➔ Hohe Festigkeit und Robustheit bei gleichzeitig hervorragenden Federeigenschaften
➔ Prozesssichere Verarbeitbarkeit durch optimale Abstimmung auf die Verarbeitungstechnik
➔ Zuverlässige Reproduzierbarkeit in der Herstellung durch geprägte Formgebung
➔ Erfüllung höchster Anforderungen von führenden Herstellern in der Automobilelektronik
➔ Höchste Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit.
Die Autorin
Franziska Lill
ist Produktmanagerin bei ept.
Lesen Sie mehr zum Thema
