PTC-Werkstoffe für Hochvoltheizer-Systeme in Elektrofahrzeugen

Keramische Kaltleiter (Thermistor- oder PTC-Werkstoffe; PTC engl.: positive temperature coefficient) zeigen mit steigender Temperatur einen sprunghaften Anstieg des elektrischen Widerstands. Sie kommen als Überstromschutz, Temperatur­sensoren oder in PTC-Heizern zum Einsatz. In batterieelektri­schen Fahrzeugen können PTC-Komponenten sowohl als Luft­heizer als auch zur Temperierung von Batterien genutzt wer­den. Somit können neben der Klimatisierung des Innenraums auch die Lebensdauer der Batterie und die Reichweite des Fahrzeugs verbessert werden. Für Anwendungen in schweren Nutzfahrzeugen wird eine Erhöhung der Bordnetzspannung von 800 V bis hin zu Hochspannung angestrebt, da hier in der Regel höhere Leistungen erforderlich sind. Daraus ergeben sich neue Anforderungen an die PTC-Bauteile, insbesondere an ihre Durchbruchspannung.

Passend zu diesen Anforderungen betreibt das Fraunhofer IKTS die werkstoffphysikalische Erforschung von Bariumtitanat (BaTiO₃)-basierten Werkstoffen sowie die Pulver- und Techno­logieentwicklung zur Herstellung von Bauteil-Prototypen aus PTC-Keramik. Über gezielte Modifikation des Werkstoffs lassen sich beispielsweise die Anwendungs- oder Sprungtemperatur sowie die Steilheit und die Höhe des Widerstandssprungs ein­stellen (Abb. 1). Auch die Grundleitfähigkeit kann gezielt ver­ändert werden, um Leistungsdichte und Eigenerwärmung zu begrenzen. Die Einstellung der Werkstoffeigenschaften erfolgt über eine Anpassung der chemischen Zusammensetzung sowie über eine Variation verschiedener Prozessgrößen bei der Pulveraufbereitung oder der Wärmebehandlung zur Steuerung der Korngröße im Bauteil.

Erhöhung der Durchbruchspannung

Die Durchbruchspannung von PTC-Komponenten bezeichnet die elektrische Spannung, bei der der elektrische Widerstand abrupt abnimmt, was zu einem starken Anstieg des Stroms und damit zum Überhitzen und Versagen der Komponente führt. Für höhere Bordnetzspannungen muss daher auch die Durchbruchspannung der PTC-Komponente erhöht werden. Dies kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Komponen­tendicke erreicht werden, was aber eine Verschlechterung der Wärmeabgabe und ein höheres Gewicht zur Folge hat. Durch eine Veränderung der Werkstoffzusammensetzung sowie eine gezielte Anpassung des Herstellungsprozesses konnte die Durchbruchfeldstärke deutlich von 560 V/mm auf 1100 V/mm erhöht werden. Dies bedeutet, dass entweder die Betriebs­spannung bei konstanter Komponentendicke verdoppelt oder die Komponentendicke bei konstanter Betriebsspannung hal­biert werden kann. Aktuelle Entwicklungen am Fraunhofer IKTS zielen auf PTC-Bauteildicken von 2 mm ab.

Danksagung

Das in diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klima­schutz unter dem Förderkennzeichen 01MV22002A gefördert.