EMI-Abschirmung für Kfz-Batteriepacks mit leitfähigem Schaumstoff

Akkupacks für Elektrofahrzeuge (EV) zählen zu den anspruchsvollsten Bereichen im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Dieser Artikel konzentriert sich auf vier kritische Anwendungen: die Abdichtung des Akkugehäuses, die Abschirmung der AFE-Probenahmeplatine, die Isolation der Hochspannungssammelschiene und die Abschirmung externer Steckverbinder. Außerdem wird erläutert, wie der richtige leitfähige Schaumstoff für Anwendungen in Automobilakkupacks ausgewählt wird.

Der Akku ist eine der teuersten – und empfindlichsten – Komponenten eines Elektrofahrzeugs.

Ein 80-kWh-Akkumulator kann etwa 30–40 % der Gesamtkosten eines Fahrzeugs ausmachen. Er enthält Hunderte von Batteriezellen, die alle präzise überwacht und geschützt werden müssen. Elektromagnetische Störungen (EMI), die Fehler bei den Spannungsmessungen verursachen, können die Ladezustandsbestimmung (SOC), den Zellausgleich und die Schutzfunktionen beeinträchtigen.

Die elektromagnetische Umgebung im Inneren eines Akkupacks stellt besonders hohe Anforderungen. Hohe Spannungen, Ladeströme von Hunderten von Ampere, dichte Sensorkabelbäume, kompakte Modulanordnungen und Störungen durch den Traktionswechselrichter und das Bordladegerät (OBC) tragen alle zu den EMV-Herausforderungen bei.

Einen Überblick über die Technologie leitfähiger Schäume finden Sie unter Was ist leitfähiger Schaumstoff? Verwendung, Anwendungen und Vorteile bei der elektromagnetischen Abschirmung Die

Dieser Artikel konzentriert sich auf vier batteriespezifische Anwendungen, die besondere Aufmerksamkeit erfordern:

1. AFE-Probenplatinenabschirmung
2. Abdichtung des Batteriegehäuses
3. Hochspannungssammelschiene und Messleitungsisolierung
4. Abschirmung des externen Steckers

Die leitfähigen Schaumstoffprodukte von Konlida in Automobilqualität wurden bereits in Batteriepack-Projekten für große Batteriehersteller und Automobil-OEMs in China eingesetzt.

1. EMV-Herausforderungen in EV-Akkus

Herausforderung 1: Die Abtastsignale sind extrem schwach

Das Batteriemanagementsystem (BMS) muss die Spannung der einzelnen Batteriezellen präzise überwachen. Typische Anforderungen an die Messgenauigkeit liegen zwischen ±1 mV und ±5 mV.

Die Sensorkabel können sich jedoch über mehrere Meter innerhalb eines Akkus erstrecken und in der Nähe von Hochstromleitern verlaufen. Dadurch sind sie anfällig für abgestrahlte und leitungsgebundene Störungen.

Wenn Störungen in die Messleitungen eingekoppelt werden, kann das Batteriemanagementsystem (BMS) ungenaue Spannungsinformationen erhalten. Die daraus resultierenden Fehler können die SOC-Schätzung, den Zellausgleich und den Schutz vor Überladung oder Tiefentladung beeinträchtigen.

Herausforderung 2: Das Gehäuse muss sowohl Abdichtung als auch Abschirmung bieten.

Das Batteriegehäuse muss typischerweise anspruchsvolle Umweltschutzanforderungen wie IP67 oder IP68 erfüllen und gleichzeitig die elektromagnetische Abschirmung gewährleisten.

Dies führt zu einem schwierigen Schnittstellenproblem an den Gehäusefugen. Das Dichtungsmaterial muss mechanische Toleranzen und Wärmeausdehnung ausgleichen und gleichzeitig eine zuverlässige elektrische Verbindung gewährleisten.

Hier kommt leitfähiger Schaumstoff ins Spiel: Eine Komponente kann sowohl elastische Kompression als auch elektrische Leitfähigkeit gewährleisten.

Herausforderung 3: Hochstrom-Sammelschienen erzeugen starke elektromagnetische Felder

Die Hochspannungsschienen im Inneren des Akkus können Ströme von mehreren hundert Ampere führen. Ihre elektromagnetischen Felder können nahegelegene Sensoren stören, insbesondere wenn diese parallel zueinander verlaufen.

Die Aufrechterhaltung eines ausreichenden Abstands in einem kompakten Akkupack ist daher eine zentrale Herausforderung im EMV-Design.

Herausforderung 4: Lange Lebensdauer und breiter Temperaturbereich

Autobatterien sind im Allgemeinen für eine Lebensdauer von 8–10 Jahren oder länger ausgelegt. Die Innentemperaturen können bei Kälte auf etwa -30 °C sinken und bei hoher Last oder Schnellladung 60–80 °C erreichen.

Das Abschirmmaterial muss während dieser Temperaturzyklen eine stabile Kompression, Rückstellfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit beibehalten.

Die Automobil-Lösung von Konlida kombiniert einen Silikonkern mit einer vergoldeten, leitfähigen PI-Folie. Je nach Produktkonfiguration ist das Material im Temperaturbereich von -40 °C bis 280 °C einsetzbar, erreicht eine Rückstellfähigkeit von über 90 % und übersteht 1000 Temperaturwechselzyklen.

2. Vier wichtige Anwendungsgebiete von leitfähigem Schaumstoff in Akkupacks

Anwendung 1: Abschirmung der AFE-Probenahmeplatine

Die analoge Eingangsstufe (AFE) ist einer der empfindlichsten Abschnitte eines Batteriemanagementsystems. Sie ist direkt mit den Zellspannungsmessleitungen verbunden und wandelt analoge Signale niedriger Pegel in digitale Daten um.

Selbst relativ geringe Mengen elektromagnetischer Störungen können die Messgenauigkeit beeinträchtigen.

Empfohlene Abschirmungslösungen

Warum sollte man um AFE-Komponenten herum omnidirektionalen leitfähigen Schaumstoff verwenden?

Der verfügbare Freiraum um die AFE-Komponenten beträgt oft nur 1–3 mm. Gleichzeitig verträgt die Abtastplatine keine übermäßige Druckkraft.

Omnidirektional leitfähiger Schaumstoff kann unter sehr geringer Kompression einen niederohmigen elektrischen Pfad herstellen und gleichzeitig leitfähige Pfade in X-, Y- und Z-Richtung bereitstellen.

Dadurch eignet es sich für kompakte Nahfeldabschirmungsanwendungen.

Weitere Informationen finden Sie unter Omnidirektionale leitfähige Schaumstoffdichtung vs. Standard-leitfähige Schaumstoffdichtung Die

Warum spielt das beim Schnellladen eine Rolle?

Durch Schnellladen können Stromstärken in den dreistelligen Amperebereich getrieben werden, wodurch das elektromagnetische Feld im Inneren des Akkus erheblich verstärkt wird.

Bei unzureichender Abschirmung des AFE-Abtastkreises können die Messsignale verstärktes Rauschen und Instabilität aufweisen. Im Extremfall kann dies dazu führen, dass das BMS die Zellbedingungen falsch interpretiert oder unnötige Schutzmaßnahmen auslöst.

Eine effektive lokale Abschirmung ist daher ein wichtiger Bestandteil der Aufrechterhaltung der Messgenauigkeit bei Hochstrombetrieb.

Anwendung 2: Abdichtung von Batteriegehäusefugen

Die Gehäuseverbindung stellt sowohl einen potenziellen Pfad für elektromagnetische Störungen als auch eine kritische Schnittstelle zur Abdichtung gegen Umwelteinflüsse dar.

Eine leitfähige Dichtung kann die elektrische Leitfähigkeit aufrechterhalten und gleichzeitig Maßtoleranzen und mechanische Bewegungen ausgleichen.

Vorteile von leitfähigem Schaumstoff zur Gehäuseabdichtung

Elastische Kompensation: Batteriegehäuse erfahren durch Temperaturschwankungen und Vibrationen Dimensionsänderungen. Der Schaumstoff sorgt für anhaltenden Kontakt während der Bewegung der Struktur.

Zwei Funktionen in einem Bauteil: Dieselbe Dichtung kann elektrische Abschirmung und mechanische Abdichtung gewährleisten.

Wartungsfreundlichkeit: Im Gegensatz zu ausgehärteten leitfähigen Dichtstoffen kann eine Schaumstoffdichtung im Allgemeinen bei Wartungs- oder Nacharbeiten entfernt und ersetzt werden.

Anpassung in großen Längen

Batteriegehäuse können 1,5–2 Meter lang sein, wodurch lange und durchgehende Dichtungswege entstehen.

Konlida betreibt 30 Produktionslinien für leitfähigen Schaumstoff und automatisierte Anlagen zur kontinuierlichen Formgebung, die lange Dichtungsstreifen mit gleichbleibenden Abmessungen und elektrischen Eigenschaften herstellen können. Kundenspezifische Querschnitte lassen sich entsprechend der Gehäusegeometrie realisieren.

Anwendung 3: Hochspannungssammelschiene und Messleitungsisolierung

Hochspannungsschienen transportieren hohe Ströme zwischen Batteriemodulen und anderen Hochleistungskomponenten. Ihre elektromagnetischen Felder können in nahegelegene Messleitungen einkoppeln.

Dies stellt ein besonderes Problem dar, wenn die Messleitungen über lange Distanzen parallel zu den Stromschienen verlaufen.

Warum benötigen Messleitungen eine zusätzliche Abschirmung?

Die Messleitungen für die Zellen können sich über mehrere Meter von den Batteriezellen bis zur AFE-Platine erstrecken. Entlang dieses Weges können sie in der Nähe von Sammelschienen, Relais, Sicherungen und anderen Störquellen verlaufen.

Ohne ausreichende Abschirmung können induzierte Störungen Werte von mehreren zehn oder sogar hundert Millivolt erreichen – weit über den typischen BMS-Messanforderungen von ±5 mV.

Eine leitfähige Gewebeumhüllung bildet eine flexible Abschirmungsschicht um den Kabelbaum, während leitfähiger Schaumstoff die erforderliche Erdungsverbindung herstellt.

Einen detaillierten Vergleich von leitfähigem Schaumstoff, Kupferfolie, Aluminiumfolie und leitfähigem Gewebe finden Sie unter Leitfähiger Schaumstoff vs. Kupferfolie vs. Aluminiumfolie vs. leitfähiges Gewebe Die

Anwendung 4: Externe Batterieanschlüsse

Hochspannungsausgangsanschlüsse und Niederspannungs-Kommunikationsschnittstellen müssen durch Öffnungen im Batteriegehäuse geführt werden.

Diese Öffnungen können sowohl zu Leckstellen für elektromagnetische Störungen als auch zu potenziellen Schwachstellen bei der Abdichtung gegenüber Umwelteinflüssen werden.

Zwischen dem Anschlussflansch und dem Batteriegehäuse kann eine ringförmige, leitfähige Schaumstoffdichtung angebracht werden.

Beim Festziehen des Steckers wird die Dichtung komprimiert und bildet eine durchgehende elektrische und mechanische 360-Grad-Schnittstelle.

Warum nicht einfach eine leitfähige Gummidichtung verwenden?

Leitfähiger Gummi findet auch in Automobilanwendungen breite Verwendung. Leitfähiger Schaumstoff bietet jedoch einige Vorteile, wenn geringe Kompressionskräfte und flexible Montage wichtig sind:

• Geringere Kompressionskraft
• Einfachere Montage
• Guter elektrischer Kontakt bei geringer Kompression
• Flexible Toleranzkompensation
• Einfacherer Austausch bei Nacharbeiten

Das geeignete Material sollte letztendlich entsprechend der Gehäusekonstruktion, dem Kompressionsbereich, den Umgebungsbedingungen und der erforderlichen Abschirmleistung ausgewählt werden.

3. Besondere Anforderungen an leitfähigen Schaumstoff für Akkupacks

Anwendungen mit Akkus stellen höhere Anforderungen an die Abschirmdichtungen als viele herkömmliche elektronische Geräte.

Entscheidend ist, dass es bei der EMV-Abschirmung im Automobilbereich nicht nur um einen niedrigen Widerstand geht. Das Material muss den elektrischen Kontakt auch unter Druck, Vibrationen, Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen und über eine lange Lebensdauer aufrechterhalten.

4. Auswahlhilfe für leitfähigen Schaumstoff im Akkupack

5. Warum Konlida für die EMI-Abschirmung von EV-Akkus wählen?

1. Qualitätsmanagement nach Automobilstandard

Konlida arbeitet mit einem nach IATF 16949 zertifizierten Qualitätsmanagementsystem und gewährleistet die Rückverfolgbarkeit von den Rohmaterialchargen bis hin zu den fertigen Produkten.

Bei sicherheitskritischen Batterieanwendungen ist die Rückverfolgbarkeit ein wesentlicher Bestandteil der Lieferantenqualifizierung und des Qualitätsmanagements.

2. Materialleistung

Akkupacks müssen eine höhere Beständigkeit gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit, Oxidation und Umwelteinflüssen aufweisen als viele Standardanwendungen in der Elektronik.

Der leitfähige Schaumstoff von Konlida in Automobilqualität besteht aus einem Silikonkern in Kombination mit einer vergoldeten leitfähigen PI-Folie. Je nach Ausführung ist das Material temperaturbeständig von -40 °C bis 280 °C, erreicht eine Rückstellfähigkeit von über 90 % und besteht Thermoschock- und Salzsprühnebeltests.

3. Massenproduktion

Ein einzelner Akku kann Dutzende kleiner leitfähiger Kontakte für BMS- und AFE-Platinen sowie mehrere Meter Gehäusedichtungsmaterial benötigen.

Mit 30 Produktionslinien für leitfähigen Schaumstoff und einer Tageskapazität von bis zu 2 Millionen Stück ist Konlida bestens gerüstet, um auch umfangreiche Automobilprogramme zu unterstützen.

4. EMV- und Zuverlässigkeitsprüfung

Das EMV-Labor von Konlida bietet Schirmdämpfungstests von 30 MHz bis 10 GHz sowie Zuverlässigkeitstests wie die folgenden an:

• Thermischer Schock
• Temperatur- und Feuchtigkeitsprüfung
• Salzsprühtest
• Kompressions-Rückgewinnungsprüfung
• Kompressionssatzprüfung

Für die Entwicklung von Akkupacks sind Messdaten wertvoller als allgemeine Materialspezifikationen. Tests ermöglichen es Ingenieuren, die tatsächliche Leistung einer ausgewählten Dichtung unter anwendungsspezifischen Bedingungen zu bewerten.

5. Designunterstützung und schnelles Prototyping

Programme für Autobatterien haben oft lange Entwicklungszyklen, aber sobald Prototypen verfügbar sind, können Designiterationen schnell beschleunigt werden.

Konlida kann Prototypen in nur vier Stunden liefern. Das Ingenieurteam kann sich auch bereits in der Konstruktionsphase beteiligen, um die Dichtungsgeometrie, die Kompression, die Erdungswege und die Materialauswahl zu optimieren.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Kann leitfähiger Schaum Dichtmittel für die Abdichtung von Batteriegehäusen vollständig ersetzen?

Nicht in jeder Anwendung.

Leitfähiger Schaum und Dichtmittel lösen unterschiedliche technische Probleme. Schaum bietet elastischen Ausgleich, elektrische Leitfähigkeit und erleichtert die Nachbearbeitung, während Dichtmittel eine starke Haftung und dauerhafte Abdichtung gewährleisten.

Einige Akkupacks verwenden daher einen Hybridansatz: Dichtmittel sorgen für die primäre Wasserdichtigkeit, während leitfähiger Schaum die elektrische Abschirmung an kritischen Schnittstellen aufrechterhält.

Die endgültige Konfiguration hängt von der Gehäusekonstruktion und der erforderlichen IP-Schutzart ab.

Frage 2: Welcher Schaumstoff eignet sich besser für die AFE-Abschirmung: omnidirektionaler Schaumstoff oder FOF-Schaumstoff?

Für die lokale Abschirmung empfindlicher AFE-Komponenten ist omnidirektionaler leitfähiger Schaumstoff oft die bessere Wahl, da er auch bei sehr geringer Kompression eine elektrische Leitfähigkeit gewährleisten kann.

FOF-Schaum ist weiterhin nützlich für größere Erdungsschnittstellen, bei denen mehr Installationsraum zur Verfügung steht.

Die richtige Wahl hängt von der verfügbaren Freifläche, der Kompressionskraft, der Erdungsgeometrie und den Abschirmungsanforderungen ab.

Frage 3: Was passiert, wenn die EMI-Abschirmung des Akkus unzureichend ist?

Das unmittelbarste Risiko besteht in einer verminderten Messgenauigkeit.

Störungen, die in AFE-Sensorschaltungen eingekoppelt werden, können die Zellspannungsmessungen beeinflussen und somit auch die SOC-Schätzung und Schutzmaßnahmen.

Mögliche Folgen sind:

• Vorzeitige Beendigung des Ladevorgangs
• Reduzierter nutzbarer Bereich
• Falsche Entscheidungen zur Zellbalance
• Verzögerte Überentladungserkennung
• Instabile Laderegelung

Die EMI-Abschirmung sollte daher zusammen mit dem Leiterplattenlayout, der Filterung, der Erdung, der Kabelführung und dem EMV-Design auf Systemebene betrachtet werden.

Frage 4: Sollte leitfähiges Gewebe oder Kupferfolie für Batteriesensorkabel verwendet werden?

Leitfähiges Gewebe ist im Allgemeinen praktischer für flexible Sensorkabelbäume.

Es kann um Kabel gewickelt werden und komplexen Kabelführungen folgen, ohne die dauerhaften Knicke zu verursachen, die beim wiederholten Biegen dünner Metallfolie entstehen.

Kupferfolie bietet zwar eine ausgezeichnete Abschirmleistung, ihre mechanische Flexibilität und die Installationseigenschaften müssen jedoch sorgfältig berücksichtigt werden.

Frage 5: Welche Erfahrungen hat Konlida im Bereich Akku-Anwendungen?

Die vergoldeten SMT-Leitschaumstoffe, FOF-Gehäusedichtungsstreifen und omnidirektionalen Leitschaumprodukte von Konlida wurden in Batteriepack-Projekten für große Batteriehersteller und Automobil-OEMs in China eingesetzt.

Einen umfassenderen Überblick über die EMV-Abschirmung in EV-Antriebssystemen, Batteriemanagementsystemen und Leistungselektronik finden Sie unter Elektromobilitäts-EMI-Abschirmung: Leitfähige Schaumstoffdichtungen in E-Antrieb und Batteriemanagementsystem Die

Wer ist Konlida?

Suzhou Konlida Precision Electronics Co., Ltd. wurde 2006 gegründet und ist auf die Forschung und Entwicklung sowie die Herstellung von EMI-Abschirmungs- und Wärmemanagementmaterialien spezialisiert.

Fertigungskapazitäten

• 45.000 m² Produktionsanlagen
• 30 Produktionslinien für leitfähigen Schaumstoff
• 24 Rotationsstanzmaschinen
• Tägliche Produktionskapazität von bis zu 2 Millionen Stück
• Eigene, automatisierte Verpackungs- und Formanlagen der vierten Generation
• IATF 16949-, ISO 13485- und ISO 9001-Zertifizierungen
• Reinraumproduktion der Klasse 1000

Technische Fähigkeiten

• Fast 20 Jahre Erfahrung mit EMI-Abschirmmaterialien
• Integrierte Kompetenzen von der Materialentwicklung bis zur Fertigung des Endprodukts
• EMV- und Zuverlässigkeitslabore
• Prüfmöglichkeiten für Schirmwirkung und Umweltverträglichkeit
• Eigenentwicklung von ultradünnen leitfähigen Textilien und hochleistungsfähigen leitfähigen Schaumstoffen
• Prototypenfertigung in nur vier Stunden
• Erfahrung in der Massenproduktion für große Kunden aus der Unterhaltungselektronik- und Automobilindustrie

Abschluss

Die elektromagnetische Abschirmung in einem EV-Akkumulator ist kein Problem einzelner Komponenten. Ein zuverlässiges Design muss die Integrität des AFE-Signals, die Gehäuseabdichtung, die Stromschienenisolierung, die Steckverbinderschnittstellen, die Erdung und die Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen als ein System berücksichtigen.

Leitfähiger Schaumstoff bietet eine effektive Möglichkeit, elektrischen Kontakt, EMI-Abschirmung, mechanische Nachgiebigkeit und Abdichtung in kompakten Batteriepackstrukturen zu kombinieren.

Für Ingenieure, die ein Abschirmmaterial auswählen, sind neben dem Oberflächenwiderstand und der Abschirmwirkung nicht nur die entscheidenden Parameter. Kompressionskraft, Rückstellvermögen, Temperaturbereich, Beständigkeit der Beschichtung, Umweltbeständigkeit, Maßhaltigkeit und Langzeitstabilität sollten alle im Hinblick auf die tatsächliche Batteriekonstruktion bewertet werden.

Die leitfähigen Schaumstofflösungen von Konlida werden bereits in zahlreichen Serienproduktionsprogrammen für Elektrofahrzeug-Akkus eingesetzt. Ob Sie Standardkomponenten für eine schnelle Lieferung oder eine kundenspezifische Dichtung für eine komplexe Akkustruktur benötigen – Materialauswahl und Designunterstützung werden individuell auf Ihre Anwendungsanforderungen abgestimmt.