MLCC-Technologie erobert Elektrofahrzeuge und die Formel 1

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Die spezifische Kapazität von MLCCs ist beeindruckend hoch

Besonders hervorzuheben ist die eindrucksvolle spezifische Kapazität der EVC-Serie von 2,4 μF/cm3, verglichen mit 1,2 µF/cm3 bei Folien-Kondensatoren und 1,89 μF/cm3 bei Aluminium-Elkos. Trotz ihres für MLCCs vergleichsweise großen Footprints von 32 mm x 40 mm x 4 mm) sind die Kondensatoren der EVC-Serie deshalb nach wie vor kleiner als entsprechende Bauelemente in Folien oder Aluminium-Ausführung.

Elektro- und Hybridfahrzeuge stellen hohe Anforderungen an Kondensatoren

Die EVC-Serie bietet sich insbesondere für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen an, denn dort werden Bauteile mit hoher Nennspannung, hohem Nennstrom, kleinen Abmessungen und hervorragenden thermischen Eigenschaften benötigt. Bild 4 zeigt den Antriebsstrang eines typischen Fahrzeugs mit Hybridantrieb, in dem die Leistung vom Verbrennungsmotor und vom Elektromotor geliefert wird. Das System enthält zwei Wechselrichter, von denen einer den elektrischen Fahrmotor und der andere die Klimaanlage treibt. In beiden Wechselrichtern kommen Spannungen bis 400 V vor.

Rein anorganische Werkstoffe sind temperaturbeständig

Normalerweise würde man in solchen Wechselrichterschaltungen Folien-Kondensatoren als Snubber-Elemente einsetzen. Da aber sowohl Folien-Kondensatoren als auch Aluminium-Elkos organische Stoffe enthalten, sind sie nur bedingt wärmebeständig. Die EVC-Serie dagegen besteht vollständig aus anorganischen Materialien und bietet eine prinzipbedingt hohe Beständigkeit gegen hohe Temperaturen. Aufgrund ihrer niedrigen ESR- und ESL-Werte (effektiver Serienwiderstand bzw. effektive Serieninduktivität) zeichnen sich MLCCs außerdem durch eine bessere Fähigkeit zur Unterdrückung von Stoßspannungen aus. Die Verfügbarkeit der EVC-Serie mit Nennspannungen von einigen hundert Volt ebnet den Weg für ihren Einsatz in Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb.

Fünf MLCCs im Leistungswandler eines Elektrorollers

So kommen beispielsweise die Kondensatoren der EVC-Serie in einem kürzlich vorgestellten Elektro-Motorroller zum Einsatz (Bild 5). Das Fahrzeug erreicht maximal 100 km/h und beschleunigt in 6,8 s von 0 auf 100 km/h. Zwei Stunden Ladezeit reichen für einen Aktionsradius von etwa 110 km. Der Schadstoffausstoß ist gleich Null.

Im Leistungswandler-System des Rollers nehmen fünf auf einer Leiterplatte montierte Kondensatoren der EVC-Serie von Murata eine Glättungsfunktion im Wechselrichter wahr. Die Aufgabe der Kondensatoren ist das Glätten der vom IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) erzeugten Stoßspannungen. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der MLCCs werden die beim Schalten der IGBTs entstehenden Spannungsspitzen so weit abgemildert, dass unter Umständen ein IGBT mit niedrigerer Spannungsfestigkeit gewählt werden kann, der damit auch potenziell kleiner ist, was zusammen mit den reduzierten Abmessungen der Glättungs-Kondensatoren dazu beiträgt, das gesamte Wechselrichtersystem kompakter zu konstruieren.

Formel-1-Boliden mit Energierückgewinnung beim Bremsen

Eine weitere Anwendung, in der die EVC-Serie zum Einsatz kommt, ist das Kinetic Energy Recovery System (KERS) für die Formel-1-Boliden eines führenden italienischen Motorsport-Konstrukteurs. Ausschlaggebend für die kompakten Maße und das niedrige Gewicht des KERS sind Bauelemente wie die EVC-Serie.

Nach Änderungen der technischen Vorschriften für die Formel 1 waren KERS-Anlagen in der Saison 2009 erlaubt. KERS ist eine Methode zum Speichern von Energie, die sonst beim Bremsen vergeudet würde. Die so gespeicherte Energie kann später abgerufen werden, um bei Bedarf die Leistung zu erhöhen. Gemäß den Regeln dürfen je Runde 400 kJ an Energie gespeichert werden, die mit einer Leistung von maximal 60 kW zurückgespeist werden dürfen. Dies entspricht einer Verkürzung der Rundenzeit von 6,7 s. Es ist zu hoffen, dass Systeme dieser Art diesem Sport speziell im Zusammenhang mit Überholvorgängen eine neue Dimension verleihen werden.

Extreme Einsatzbedingungen bei Formel-1-Rennen

Die Designer dieses KERS-Systems wählten die Kondensatoren der EVC-Serie von Murata für die Leistungswandler-Elektronik wegen ihrer hohen Beständigkeit gegen Welligkeitsströme, der kompakten Bauform und niedrigem Gewicht. Speziell das Gewicht des KERS hat einen hohen Stellenwert, da die Gewichtsverteilung der Karosserie entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs ist. Gerade der Formel-1-Einsatz zeigt, dass sich die EVR-Serie für Anwendungen unter extremen Einsatzbedingungen eignet. Die Kondensatoren der EVC-Serie behalten ihre Eignung für hohe Welligkeitsströme über den gesamten Automotive-Temperaturbereich bis 125 °C bei.

Vom Formel-1-Rennwagen ins Serienfahrzeug

Formel-1-Ideen und -Technologien werden häufig in Serienfahrzeuge übernommen. Insofern ist die KERS-Initiative zum Teil kennzeichnend für das Bemühen, die Formel-1-Teams zur Entwicklung umweltfreundlicherer Technologien zu ermuntern. Murata hofft, mit dem KERS und seinem Anteil an der Weiterentwicklung der Elektronik für Elektrofahrzeuge einen Beitrag zum Schutz des Weltklimas leisten zu können.

*Shoji Tsubota ist Mitarbeiter bei Murata.

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