Vorsprung durch Volt

Eine Projektgruppe um Klaus Angermaier befasst sich derzeit intensiv damit, welche Siliconmaterialien für die neue Form der Mobilität benötigt werden. In einem heutigen Mittelklassewagen mit Verbrennungsmotor befinden sich zwei bis drei Kilogramm dieses Kunststoffs. Aus Siliconkautschuken bestehen zum Beispiel die Ladeluftschläuche der Turbolader, Schutzmäntel für Zündkerzenstecker und Zündkabel, Schwingungstilger, diverse Dichtungen und Dichtkissen. Darüber hinaus wird die Elektronik, die in den Steuergeräten der Fahrzeuge steckt, durch dispensbare Dichtklebstoffe oder Vergussmassen aus Silicon geschützt. Auch die Funktionssicherheit eines Airbags profitiert ganz wesentlich von einer Siliconbeschichtung, indem sie dieses technische Textil dauerhaft flexibel, temperatur- und alterungsbeständig sowie abriebfest macht.

Einige dieser Siliconanwendungen entfallen in einem rein elektrisch betriebenen Auto, andere kommen neu hinzu. „Auch in Elektrofahrzeugen sind Siliconmaterialien unverzichtbar“, betont Klaus Angermaier. „Unser Ziel ist es, die benötigten Siliconprodukte rechtzeitig zum Start der Elektrofahrzeug-Großserienproduktion zur Verfügung stellen zu können.“

Der Antriebsstrang eines rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugs enthält drei Schlüsselkomponenten: Elektromotor, Antriebsbatterie und Leistungselektronik. Verbrennungsmotor und Getriebe entfallen oder können einfacher konstruiert werden. Der kompakt gebaute, aber leistungsstarke Elektromotor liefert im E-Auto das für den Antrieb benötigte Drehmoment.

Mit der Reihe SEMICOSIL^® 96x TC bietet WACKER neue siliconbasierte Gap-Filler an, die sich optimal für die thermische Anbindung der Batteriemodule an das Temperierungssystem eignen. Diese pastösen Massen härten bei Raumtemperatur durch eine platinkatalysierte Additionsreaktion zügig aus. Mit Werten von zwei bis vier Watt pro Meter und Kelvin erreichen sie die in der Praxis benötigten Wärmeleitfähigkeiten. Ausgangspunkt der Entwicklung waren Produkte, die seit Jahren erfolgreich zum Wärmemanagement in leistungselektronischen Baugruppen verwendet werden.

Wie auch die herkömmlichen Produkte ergeben die Typen der Reihe SEMICOSIL^® 96x TC im Spalt ein elastisch verformbares Siliconpad. Dicht an die Konturen der beiden Oberflächen angeschmiegt, füllt es sowohl kleinste Rauigkeiten als auch Unebenheiten im Millimeterbereich perfekt aus.

Als Siliconprodukte haben die Gap-Filler hier deutliche Vorteile gegenüber Produkten, die auf organischen Polymeren basieren. Weil sie nicht altern, sorgen sie dauerhaft für einen guten Wärmetransport und leisten damit einen wichtigen Beitrag zur gewünschten Lebensdauer und zur Zyklenfestigkeit der teuren Antriebsbatterie. Weil sie schwer entflammbar sind, tragen sie zudem zur Sicherheit der Batterie bei.

Genauso wichtig sind für die Automobilindustrie die Verarbeitungseigenschaften. „Mit einem neuen Formulierungskonzept ist es uns gelungen, die Gap-Filler in ihren Fließeigenschaften auf die Fertigungsprozesse der Automobilhersteller abzustimmen“, führt Dr. Philipp Müller aus. Die pastösen Materialien sind in Ruhe standfest, können aber dennoch zügig und fehlerfrei auf große Flächen aufgetragen werden und erlauben ein automatisiertes Fügen. Mit einem Dispenser lassen sich pro Minute bis zu sechs Kilogramm der pastösen Masse aufbringen. Solch hohe Auftragsleistungen waren bislang bei Gap-Fillern undenkbar, werden aber in der Automobilindustrie in der geplanten Batterie-Großserienfertigung benötigt.

Zudem sind die neuen Wärmeleitmaterialien deutlich sedimentationsstabiler als die herkömmlichen Produkte und können in 200-Liter-Fässern geliefert werden – ebenfalls eine Voraussetzung für den Einsatz in einer Großserienfertigung. Bei herkömmlichen Gap-Fillern setzen sich die festen Füllstoffe recht schnell ab und verklumpen. Hat sich erst einmal ein Füllstoff-Bodensatz gebildet, lässt er sich nicht mehr oder nur mit erheblichem Aufwand aufrühren. Viele herkömmliche Silicon-Gap-Filler können daher nur in kleinen Spezialgebinden angeboten werden, etwa in Kartuschen mit Rührmöglichkeit. Mit den neu formulierten Gap-Fillern von WACKER SILICONES ist dieses Problem gelöst.

Eine weitere Wärmequelle von Elektrofahrzeugen ist die in der Power Conversion Unit verbaute Leistungselektronik: Ihre aktiven Bauelemente, die kurz als IGBT bezeichneten Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, können im Betrieb sehr heiß werden. Je nach Typ liegen ihre Betriebstemperaturen oftmals weit über 100 Grad Celsius.

Zu hohe Temperaturen können aber die empfindlichen Halbleiterstrukturen des IGBT schädigen, was zur Alterung und schließlich zur Zerstörung des Bauelements führt. Um einem solchen Ausfall vorzubeugen, werden die mit IGBT bestückten Leiterplatten aktiv gekühlt. Hierbei ist es notwendig, die Leiterplatte thermisch an die Kühlplatte anzukoppeln. Liegen die Betriebstemperaturen über 150 Grad Celsius, ist ein siliconbasiertes Wärmeleitmaterial dazu das Mittel der Wahl – Wärmeleitmaterialien auf der Basis von organischen Polymeren würden dieser Temperaturbelastung nicht standhalten.

„Auch hier erweisen sich die Gap-Filler der Reihe SEMICOSIL^® 96x TC in vielen Fällen als optimal“, sagt Dr. Markus Jandke, der wie sein Kollege Philipp Müller ein anwendungstechnisches Labor im Industrial-Solutions-Team von WACKER SILICONES leitet. „Aber auch nicht vernetzende Siliconpasten wie SEMICOSIL^® Paste 40 TC, die im Spalt ihre Konsistenz beibehalten, oder wärmeleitende Siliconklebstoffe wie zum Beispiel SEMICOSIL^® 9712 TC oder 9754 TC können verwendet werden“, betont Jandke.

Welches Material ausgewählt wird, hängt davon ab, wie die Platine mit der Kühlplatte verbunden wird. So sind Gap-Filler und Siliconpasten für solche Konstruktionen prädestiniert, in denen Kühlkörper und Wärmequelle in der Anwendung miteinander verschraubt oder anderweitig mechanisch fest verbunden und aneinandergedrückt werden. Wärmeleitende Siliconkleber verbinden dagegen beide Fügepartner durch ihre Klebkraft, sodass in vielen Fällen auf eine zusätzliche mechanische Fixierung verzichtet werden kann.

Auch ein Elektromotor entwickelt im Betrieb Wärme – und das trotz seines hohen Wirkungsgrads, der in der Regel höher als 90 Prozent ist. Zum Vergleich: Verbrennungsmotoren erreichen Wirkungsgrade zwischen etwa 30 und 45 Prozent. Ein Großteil der Wärme wird im Stator freigesetzt, der ruhenden Komponente des Elektromotors. Einige Automobilhersteller haben sich entschieden, in zukünftigen Motorgenerationen die Spulenwicklungen des Stators in der sogenannten Hairpin-Technologie herzustellen, weil diese unkonventionelle Technologie eine schnelle Großserienfertigung erlaubt.

Die Hersteller von Elektromotoren untersuchen derzeit mehrere Konzepte zur Wärmeabführung „Noch ist unklar, welches Konzept sich durchsetzen wird. Klar ist jedoch, dass wärmeleitfähige Siliconprodukte dabei eine wichtige Rolle spielen können“, so die Einschätzung von Christian Ochs.

Eines der Konzepte sieht vor, die Abwärme des Stators über das Blechpaket – ein wichtiges Bauteil des Stators – mithilfe eines wärmeleitenden Siliconharzes zum Motorgehäuse zu transportieren. Für diesen Zweck hat WACKER das Siliconharz SILRES^® H 68 TC entwickelt. Dieses Harz ist bei 60 Grad Celsius so dünnflüssig, dass es problemlos in den schmalen Spalt zwischen den Kupfer-Hairpins und den Statorblechen eingeträufelt werden kann.

Ein anderes Konzept bevorzugt für den Wärmetransport den Weg entlang der Kupfer-Hairpins in Richtung der Wickelköpfe, die in der Stirnfläche des Stators liegen. Auch hierzu hat WACKER das passende Produkt, wie Dr. Ochs erläutert: „In diesem Fall könnte eine wärmeleitende elastische Siliconvergussmasse wie beispielsweise ELASTOSIL^® RT 744 TC den Wärmetransport effektiv unterstützen.“

Diskutiert wird auch, das Blechpaket des Stators mit kleinen Kanälen zu versehen, durch die ein Kühlmedium geführt wird. Als Medium könnte ein hitzebeständiges Siliconöl verwendet werden – wie beispielsweise das seit vielen Jahren zur Kühlung von Transformatoren eingesetzte POWERSIL^® Fluid TR 50. Gegenüber Wasser-Glykol-Mischungen, die in den heutigen Verbrennungsmotoren die Kühlfunktion übernehmen, haben Siliconöle den Vorteil, elektrisch nicht leitfähig zu sein und bis –50 Grad Celsius fließfähig zu bleiben. Auch bei einem Kaltstart im tiefsten nordischen Winter wäre also für eine optimale Kühlung gesorgt.

Ein Elektromotor liefert über den gesamten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment. Schon ab der Drehzahl null steht das maximale Drehmoment zur Verfügung, anders als bei konventionell betriebenen Fahrzeugen mit Getriebe, die ihr Drehmoment bis zu einer bestimmten Drehzahl ansteigend entfalten. Selbst bei vergleichsweise moderaten Motorleistungen erreicht das Elektroauto aus dem Stand heraus eine enorme Beschleunigung, während der Fahrer eines Diesels oder Benziners erst mühsam hochschalten muss – für den Fahrspaß ist beim Elektroauto also gesorgt. Für den Frust an der Tankstelle aber auch: Selbst an den Tesla-Ladestationen mit Gleichstrom, die Supercharger genannt werden, muss der Autofahrer 30 bis 40 Minuten einplanen, bis die Batterie wieder zu 80 Prozent geladen ist.

Mehr Lust auf ein Elektrofahrzeug erhoffen sich die Automobilhersteller und ihre Zulieferer, wenn sich das Prinzip des induktiven Ladens verbreitet. Mit dieser kabellosen Technik wird das Aufladen sehr komfortabel: Der Fahrer fährt einfach mit seinem Auto über eine Ladeplatte, die im Boden eingelassen ist. Die Ladevorgänge dauern hier zwar länger, können dabei jedoch mit üblichen Wechselspannungssystemen betrieben werden. Sobald das Fahrzeug, unterstützt von einem elektronischen Fahrassistenten, korrekt positioniert ist, beginnt automatisch der Ladevorgang. Solche Ladeplatten können nicht nur in Garagen, sondern auch auf Kundenparkplätzen eingerichtet werden. Visionäre Konzepte sehen diese Installationen auch vor Ampeln, Bahnschranken oder allgemein entlang von Verkehrswegen vor, sodass sich auch kürzere Stoppzeiten zum Laden nutzen ließen.

Diese Ladetechnik basiert auf dem Prinzip der magnetischen Induktion: In der Ladeplatte befindet sich eine Spule, die von einem Wechselstrom hoher Frequenz durchflossen wird. Dieser Strom wird mithilfe leistungselektronischer Komponenten aus dem stationären Wechselspannungsnetz erzeugt. Eine zweite Spule befindet sich auf der Unterseite des Fahrzeugbodens. Liegen beide Spulen übereinander, entsteht in der zweiten Spule eine Wechselspannung. Diese wird im Fahrzeug mit bordeigener Leistungselektronik gleichgerichtet und lädt die Antriebsbatterie auf. Zusätzlich sind in der Bodenplatte und im Fahrzeug elektronische Komponenten vorhanden, die über WLAN in Kontakt stehen und den gesamten Ladevorgang steuern. Bereits heute liegt der Wirkungsgrad dieses kontaktlosen Ladens nahezu auf Augenhöhe mit dem Laden durch ein Kabel.

Zum Schutz vor Witterungseinflüssen und mechanischen Spannungen wird die Ladeelektronik vergossen. Zu diesem Zweck bietet WACKER ein umfangreiches Sortiment aus Dicht- und Klebstoffen sowie Vergussmassen an, die bei Raumtemperatur oder moderaten Temperaturen sehr schnell vernetzen beziehungsweise Haftung zu den beteiligten Substraten aufbauen – höchst interessant und wichtig für innovative industrielle Massenproduktionsprozesse. „Mit unseren Siliconprodukten werden bei der Fertigung der elektronischen Komponenten kurze Produktionszeiten möglich. Und die Elektronik ist unter den rauen Einsatzbedingungen über viele Jahre perfekt geschützt“, betont Klaus Angermaier. Die Automobilkonzerne arbeiten derzeit intensiv an der Weiterentwicklung von Systemen für das induktive Laden.