Gleichspannung und Isolationsversagen in Hochvolt-Powertrains

Im Laufe der Betriebszeit eines elektrischen Gerätes verändern sich die Eigenschaften von Isolierstoffen durch die einsetzende Alterung. Allen voran verschlechtert die thermische Alterung Eigenschaften wie Spannungsfestigkeit, Zugfestigkeit oder Beständigkeit gegenüber Spannungsspitzen, die durch z.B. Blitzeinschlag auftreten können.

Doch auch die Kurvenform des Spannungsverlaufs belastet Isolationswerkstoffe unterschiedlich. Steile Anstiegsflanken (dU/dt) und hohe Wechselfrequenzen schaden vor allem polaren Isolationswerkstoffen durch Eigenerwärmung im Wechselfeld oder Raumladungen. Diese elektrischen Felder können sich im Wechselfeld oberhalb bestimmter Frequenzen (>100 kHz) nicht mehr vollständig abbauen und erhöhen damit die Feldbelastung.

In Bereichen der Schifffahrt kennt man bereits seit langem das Phänomen, dass bei Anwesenheit von Gleichstromfeldern elektrolytische Korrosion entstehen kann. Diese verstärkt die elektrochemische Korrosion (Kontaktkorrosion), die durch die Bildung von galvanischen Elementen zwischen unedleren und edleren Metallen erzeugt wird.

Voraussetzung für die elektrolytische Korrosion ist die Anwesenheit eines leitfähigen Elektrolyten für den Ionentransport. Üblicherweise ist dies Wasser, das zum Beispiel als Beschlag oder Kondensation auf Isolationsoberflächen auftreten kann. Eine solche Oberfläche hat einen verringerten elektrischen Widerstand. Im Gleichspannungs-Feld kommt es neben der Elektrolyse des Elektrolyten (Säure-/Basenbildung) zu einer Ionenwanderung von der Anode zur Kathode. Metallionen migrieren dabei auch in Isolationswerkstoffe ein und beeinflussen deren Resistivität. Schließlich bilden sich dendritische Strukturen aus, die sogar Isolationsschichten durchdringen können und schließlich zum Spannungsdurchschlag der geschädigten Isolation führen.

Diese zuvor beschriebenen Prozess werden stark beeinflusst durch Wärme, die Anwesenheit des Elektrolyten und vor allem durch die Spannungshöhe.

In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen findet man alle drei wesentlichen Einflussgrößen für eine forcierte elektrochemische Alterung: Die Wärme durch den Stromfluss, das häufig zur Kühlung der elektrischen Komponenten eingesetzte Kühlmittel (Wasser/Glykol) und eine hohe Spannung.

Der Schutz der Elektronik vor Feuchtigkeit ist grundsätzlich eine bekannte und absolut erforderliche Maßnahme, um Kontaktkorrosion und elektrolytische Korrosion zu vermeiden. Doch selbst geringe, scheinbar unerhebliche Mengen an Luftfeuchtigkeit können sich in ungünstigen Fällen in Werkstoffen akkumulieren. In einem solchen Fall ist z.B. im Gehäuse kein Niederschlag (Kondensation) feststellbar. Dennoch wird die Leitfähigkeit des Werkstoffes durch die Wasseraufnahme höher.

Der Isolationswächter eines Hochspannungs-Powertrains registriert zwar Änderungen im Ableitstrom gegenüber dem Fahrzeugrahmen, aber Fehlerströme zwischen den zwei Polen der Gleichspannung kann er nicht detektieren. Auf diese Weise können Widerstandsänderungen in Werkstoffen, Migration z.B. von Kupferionen und Degradationen von Isolationsoberflächen auftreten, die schließlich zu einer plötzlich auftretenden Zerstörung der Isolation unter Hochspannungsbelastung führen.

In Elektromotoren und auf Leiterplatten haben sich Tränkharze und Schutzlacke bewährt, um Feuchtigkeit von den gefährdeten Bereichen fern zu halten. Wo das aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht möglich ist, müssen andere Maßnahmen ergriffen werden.

In vielen Fällen ist ein hermetischer Verschluss eines Gehäuses nicht möglich. Eine Öffnung für den Druckausgleich sollte dann jedoch kein „Einfalltor“ sein für Feuchtigkeit. Auch bei der Auswahl von Isolationsstoffen ist wegen der höheren Gleichspannungen darauf zu achten, dass keine ungewollte Akkumulation von Feuchtigkeit erfolgen kann. Werkstoffe wie Polypropylen oder Polyester sind besser geeignet als ungetränkte Aramidvliese oder Presspapiere.

Fazit

Dass Feuchtigkeit im Bereich von elektrischen Geräten zu vermeiden ist, ist keine neue Erkenntnis. Allerdings müssen sich Entwickler und Konstrukteure bewusst sein, dass die immer höheren Gleichspannungen die bekannten Folgen von elektrolytischer Korrosion massiv beschleunigen.

Eingesetzte Isolationswerkstoffe und Kapselungstechniken sind entscheidende Faktoren, um Isolationen unter DC-Belastung dauerhaft erfolgreich einsetzen zu können.

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Bildnachweis: Close-up of battery packs and engine in the the electric car © loonger – stock.adobe.com