Empirische Lebensdauerprädiktion von Elektrolytkondensatoren in hochbeanspruchten Applikationen

verfasst von: Philipp Adler

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : AutoUni – Schriftenreihe

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Inhaltsverzeichnis

Über dieses Buch

Philipp Adler zeigt eine verbesserte Lebensdauerprädiktion von Elektrolytkondensatoren in Elektrofahrzeugen durch die Analyse temperaturbedingter Einflüsse mittels Multi-Domänen-Simulationen. Dies steigert die Systemzuverlässigkeit über 15 Jahre. Ein neu entwickeltes empirisches Modell erlaubt präzisere Alterungsprognosen. Langzeitversuche bestätigen, dass eine verbesserte thermische Anbindung mittels Wärmeleitpaste entscheidend die Lebensdauer erhöht. Die Ergebnisse fördern die Entwicklung langlebiger Elektrofahrzeuge und die EMV-Konformität.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung und Motivation

Zusammenfassung

Das Kapitel führt in die Bedeutung der Zuverlässigkeit von Elektrofahrzeugen ein, da Kunden diese als wesentliches Kriterium beim Fahrzeugkauf betrachten. Im Fokus stehen die Herausforderungen durch steigende Betriebszeiten elektronischer Baugruppen wie dem Batterie-Management-System und dem elektrischen Kältemittelverdichter. Besonders die Aluminium-Elektrolytkondensatoren erweisen sich als kritische Komponenten, da sie durch Alterung und Belastung ausfallen können. Ziel ist die Entwicklung einer Methodik zur Lebensdauerabschätzung von Kondensatoren mittels einer Multi-Domänen-Simulation, die elektrische, thermische und physikalische Parameter integriert. Durch die Simulation sollen Alterungseffekte und Belastungen realitätsnah modelliert werden, um Optimierungen für Zuverlässigkeit und Lebensdauer dieser Komponenten zu ermöglichen.

Philipp Adler

Kapitel 2. Der Aluminium-Elektrolytkondensator

Zusammenfassung

Dieses Kapitel beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise von Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die in leistungselektronischen Systemen unverzichtbar sind. Die hohe spezifische Kapazität macht sie ideal für den Einsatz im Automobilbereich. Der Aufbau umfasst Anoden- und Kathodenfolien, ein Dielektrikum aus Aluminiumoxid sowie ein Elektrolyt-Papier-Gemisch. Besondere Aufmerksamkeit gilt den elektrischen Kenngrößen wie Kapazität, Leckstrom und äquivalentem Serienwiderstand, die als Indikatoren für den Zustand der Bauteile dienen. Weiterhin werden Alterungsmechanismen durch Temperatur, Spannung und mechanische Belastung analysiert, um die Lebensdauer und Ausfallkriterien besser zu verstehen. Dies bildet die Grundlage für die spätere Modellierung und Simulation.

Philipp Adler

Kapitel 3. Trend der Zuverlässigkeitsuntersuchung in der Elektronik

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden traditionelle und moderne Ansätze zur Zuverlässigkeitsbewertung elektronischer Systeme vorgestellt. Klassische Methoden, wie standardisierte Ausfallratenberechnungen, werden mit simulationsbasierten Ansätzen verglichen, die physikalische Alterungsmechanismen berücksichtigen. Dabei liegt der Fokus auf der Verbindung zwischen Belastungsprofilen und den daraus resultierenden Materialdegradationseffekten. Es wird betont, wie wichtig simulationsbasierte Modelle sind, um die Auswirkungen komplexer, realer Einsatzbedingungen besser zu verstehen und vorherzusagen. Die Transformation von klassischen Modellen hin zu Multi-Domänen-Simulationen wird als wesentlicher Fortschritt herausgestellt, um detaillierte Aussagen über die Alterung und Lebensdauer von Bauteilen zu treffen.

Philipp Adler

Kapitel 4. Ermittlung des Belastungsprofils der Kondensatoren

Zusammenfassung

Dieses Kapitel untersucht die Belastungen, denen Elektrolytkondensatoren im Betrieb ausgesetzt sind. Am Beispiel des elektrischen Kältemittelverdichters werden Temperatur-, Spannungs- und Rippelstrombelastungen analysiert. Hierzu werden Daten aus Literatur, Simulationen und praktischen Messungen zusammengeführt. Besonderes Augenmerk liegt auf regionalen Unterschieden, da Klimazonen das Nutzungsverhalten und die Belastung der Bauteile beeinflussen. Anhand der Analyse wird ein Belastungsprofil erstellt, das die Grundlage für die Multi-Domänen-Simulation bildet. Ziel ist es, die realen Beanspruchungen der Kondensatoren in verschiedenen Märkten zu quantifizieren, um daraus Rückschlüsse für ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu ziehen.

Philipp Adler

Kapitel 5. Neues Konzept der Zuverlässigkeitsabschätzung der Elektrolytkondensatoren

Zusammenfassung

Die Entwicklung eines neuen Simulationsansatzes steht im Mittelpunkt dieses Kapitels. Die Multi-Domänen-Simulation integriert elektrische, thermische und physikalische Modelle, um das Verhalten von Elektrolytkondensatoren realitätsnah abzubilden. Ein zentraler Aspekt ist die Konstruktion eines Zuverlässigkeitsprüfstands, der empirische Daten für ein neues Lebensdauermodell liefert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen berücksichtigt dieses Modell nicht nur die Lebensdauer, sondern auch Parameterdrift, wie Änderungen im Widerstand und der Kapazität. Diese zusätzlichen Informationen ermöglichen Rückschlüsse auf Spannungswelligkeit und elektromagnetische Verträglichkeit, was für die Entwicklung langlebiger und stabiler elektronischer Systeme von entscheidender Bedeutung ist.

Philipp Adler

Kapitel 6. Empirische Parametererfassung zur Modellerstellung

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden empirische Daten erhoben, die für die Validierung und Parametrisierung der Simulation erforderlich sind. Messungen umfassen elektrische Eigenschaften wie parasitäre Induktivitäten und thermische Eigenschaften wie Temperaturverläufe und Wärmeleitung. Zudem wird die physikalisch-fluide Domäne untersucht, um den Einfluss von Elektrolyten und Separatoren auf die Leistung der Kondensatoren zu verstehen. Eine FEM-Simulation wird verwendet, um thermische Effekte detailliert zu modellieren. Diese umfangreichen empirischen Untersuchungen ermöglichen eine realitätsnahe Parametrisierung der Modelle und tragen wesentlich zur Validierung des entwickelten Lebensdauermodells bei.

Philipp Adler

Kapitel 7. Durchführung der Zuverlässigkeitssimulation

Zusammenfassung

Das Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Multi-Domänen-Simulation unter verschiedenen Belastungsszenarien und Klimabedingungen. Langzeitversuche an Elektrolytkondensatoren im elektrischen Kältemittelverdichter dienen zur Validierung der Simulation. Die Ergebnisse zeigen, dass die thermische Anbindung, etwa durch Wärmeleitpaste, den größten Einfluss auf die Lebensdauer hat. Es werden Empfehlungen zur Optimierung von Kondensatoren und elektrischen Baugruppen abgeleitet, einschließlich Priorisierungen für detaillierte Modellierungen. Ziel ist es, die Zuverlässigkeit unter realen Bedingungen zu maximieren und die Lebensdaueranforderungen moderner Elektrofahrzeuge zu erfüllen.

Philipp Adler

Kapitel 8. Zusammenfassung, Fazit und Ausblick

Zusammenfassung

Im abschließenden Kapitel werden die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit zusammengefasst. Die entwickelte Methodik ermöglicht eine realitätsnahe Lebensdauerabschätzung von Elektrolytkondensatoren und zeigt, dass thermische Optimierungen wie verbesserte Wärmeleitfähigkeit zentrale Einflussfaktoren sind. Die Arbeit bietet eine Basis für zukünftige Forschung, insbesondere zur Erweiterung der Multi-Domänen-Simulation auf weitere Anwendungen. Perspektivisch könnten solche Modelle zur Optimierung der Zuverlässigkeit in anderen Industriebereichen wie Luftfahrt oder erneuerbaren Energien eingesetzt werden. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung von Prüfeinrichtungen und simulationsgestützten Ansätzen für langlebige elektronische Systeme.

Philipp Adler

Backmatter

Titel: Empirische Lebensdauerprädiktion von Elektrolytkondensatoren in hochbeanspruchten Applikationen
verfasst von: Philipp Adler
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-46559-9
Print ISBN: 978-3-658-46558-2
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-46559-9