Teilentladung in passiven Komponenten
FVA 855 II | IGF-Nr. 01IF22163N
Die Mobilitätswende hin zu gesellschaftlich nachhaltigem Personen- und Warenverkehr durch Elektrofahrzeuge fußt unmittelbar und maßgeblich auf Effizienzvorteilen des elektrischen Antriebsstrangs. Um die gewünschten Ziele hinsichtlich der bisherigen Anforderungen des Anwenderkomforts – z.B. Reichweite, Beschleunigung und Ladegeschwindigkeit – erreichen zu können, haben etliche Automobilhersteller die Systemspannung bereits von den bisher marktüblichen 400 Volt auf 800 Volt angehoben. Die damit errungene Effizienzsteigerung geht jedoch mit höherer Belastung der Bauteilkomponenten hinsichtlich Spannungsfestigkeit einher.
Das Forschungsvorhaben leistet hierzu einen grundlegenden Beitrag durch die systematische Untersuchung und Modellierung der elektrischen Alterungs-mechanismen passiver Bauelemente unter realitätsnahen Betriebsbedingungen, welche zu lokal stark erhöhten Feldstärken führen: Aus experimentellen Unter-suchungen, statistischer Testplanung und Methoden der Zuverlässigkeitstechnik wird ein empirisches Lebensdauermodell entwickelt, das den Einfluss von Teilentladungen (TE) auf die Degradation passiver Komponenten quantitativ beschreibt und die Grundlage für eine belastbare Lebensdauerprognose bildet.
Die experimentellen Ergebnisse bestätigten die Grundannahme, dass Teilentladungen einen dominanten Alterungsmechanismus darstellen. Messungen nach IEC 60270 zeigen bei Folienkondensatoren bereits unterhalb der Nennspannung lokal begrenzte Entladungen, die mikroskopische Materialerosionen hervorrufen und langfristig die Isolationsfestigkeit reduzieren. Die untersuchten Kondensatoren zeigen ein feldstärkeabhängiges Degradationsverhalten, das oberhalb einer kritischen Belastung eine stark beschleunigte Alterung zur Folge hat.
Mithilfe eines detaillierten Design of Experiment (DoE) wurden überlagerte Einflüsse mehrerer praxisrelevanter Belastungsparameter für die Alterungsmodelle berück-sichtigt: Spannungshub, Schaltfrequenz, Umgebungstemperatur und Feuchte. Die durchgeführte Varianzanalyse ermöglicht es, signifikante Lasteinflüsse von messtechnischen und fertigungsbedingten Streuungen zu trennen. Für die Zuverlässigkeitsbewertung wurden die Ergebnisse der Degradationspfadmodelle mit der Weibullverteilung modelliert, was eine stochastische Beschreibung der Lebensdauer ermöglicht. Sowohl im TE-freien als auch im TE-behafteten Betrieb ist die Modellierung der Degradation verschiedener Charakteristika (Kapazität, Resonanzfrequenz, Ersatzwiderstand) möglich.
Die ermittelten Degradationsmodelle zeigen, dass der schädigende Einfluss der elektrischen Belastung sich insbesondere in Form der transformierten Wechselwirkung zwischen Spannungshub (z.B. 800 V) und Schaltfrequenz widerspiegelt. Der Einfluss dieser Wechselwirkung, welche der Summe aller Schaltvorgänge gewichtet mit dem Spannungshub entspricht (neu eingeführte Größe: total pulsed voltage, TPV), zeigt sich konsistent in der Degradationsgeschwindigkeit mehrerer Zielgrößen. Die ausführlichen Degradationsmodelle basieren derzeit auf einem Testdauer von ca. 165 h, wodurch Prognosen in dieser zeitlichen Ordnung sinnvoll sind. Langzeit-versuche mit engen Belastungsparameterbereichen könnten in Zukunft diese Lücke schließen und eine Validierung der Modelle auf anwendungsbezogene Zeiträume ermöglichen. Dazu könnten Methoden der Zustandsüberwachung und Datenanalyse (Machine Learning) genutzt werden, um Degradation in Echtzeit zu detektieren und die Modelle durch kontinuierliche Datenintegration fortlaufend zu verbessern.
Das Vorhaben IGF-Nr. 01IF22163N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
