Anwendung von NTC-Thermistoren und Kristalleinheiten in der Automobilelektrifizierung

Mit der rasanten Entwicklung der Automobil-Elektrifizierung und -Intelligenz wird die Rolle elektronischer Komponenten in Fahrzeugen immer entscheidender. Unter diesen spielen NTC-Thermistoren (Negative Temperature Coefficient Thermistors) und Kristalleinheiten (Timing Device Crystals) eine unverzichtbare Rolle bei der Temperaturüberwachung bzw. Frequenzsynchronisation. NTC-Thermistoren werden hauptsächlich in Batteriemanagementsystemen (BMS), der thermischen Verwaltung von Motoren und Leistungselektronik, dem Schutz von Ladesystemen sowie der Temperaturregelung im Fahrzeuginnenraum eingesetzt, um einen stabilen Fahrzeugbetrieb unter variierenden Temperaturbedingungen sicherzustellen und gleichzeitig die Systemsicherheit und Energieeffizienz zu erhöhen. Kristalleinheiten hingegen liefern präzise Frequenzsignale für die Fahrzeugkommunikation (CAN, Ethernet, V2X), Radarsysteme und Kameramodule für autonomes Fahren, die Kontrolle der Leistungselektronik und Infotainmentsysteme und gewährleisten die Datensynchronisation und den zuverlässigen Betrieb zwischen den Systemen. Dieser Artikel beleuchtet die Anwendungen und Entwicklungen von NTC-Thermistoren und Kristalleinheiten in der Automobil-Elektrifizierung sowie die dazugehörigen Lösungen von Murata.

NTC-Thermistoren sind Widerstände, die empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren, wobei ihr Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. Diese Eigenschaft macht sie geeignet für Anwendungen wie Temperaturmessung, -kompensation und -schutz. NTC-Thermistoren weisen eine hohe Empfindlichkeit auf, wodurch sie schnell auf Temperaturveränderungen reagieren können. Sie verfügen zudem über einen breiten Temperaturbereich, wodurch sie sowohl in Niedrig- als auch Hochtemperaturumgebungen einsetzbar sind (-50°C bis 300°C). Aufgrund ihrer hohen Stabilität eignen sie sich ideal für den langfristigen Einsatz und bieten minimale Fehler, eine kompakte Bauform sowie hohe Zuverlässigkeit, was sie für eingebettete Schaltungen und Anwendungen mit begrenztem Platzangebot geeignet macht.

Mit der Elektrifizierung der Automobilindustrie werden NTC-Thermistoren häufig in der Temperaturüberwachung und -management eingesetzt, um die Sicherheit und den stabilen Betrieb von Motoren und elektronischen Systemen zu gewährleisten. NTC-Thermistoren werden hauptsächlich in Batterie-Management-Systemen (BMS) verwendet, um die Temperatur von Lithium-Batteriepacks in Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) zu überwachen. Dies stellt sicher, dass die Batterie innerhalb eines sicheren Bereichs arbeitet und Überhitzung oder niedrige Temperatureffekte auf Leistung und Lebensdauer verhindert werden. Zusätzlich können NTC-Thermistoren in Verbindung mit Batterie-Management-Controllern (BMC) eingesetzt werden, um präzise Temperaturkompensation und Überhitzungsschutz zu erzielen.

Auf der anderen Seite können NTC-Thermistoren zur Temperaturüberwachung in Motoren und Wechselrichtern eingesetzt werden, indem sie die Temperatur von Motorwicklungen und leistungselektronischen Geräten (wie IGBT-Module) verfolgen, um Überhitzungsschäden zu vermeiden. Dadurch wird die Systemeffizienz und die Lebensdauer verbessert. NTC-Thermistoren können auch beim Temperaturschutz für Ladesysteme angewendet werden. In sowohl DC-Schnelllade- als auch AC-Langsamladesystemen überwachen sie die Temperatur von Ladestationen und in Fahrzeugen integrierten Lademodulen, verhindern Überhitzungsschäden an Schaltungen und stellen sicher, dass Power Management ICs (PMICs) und Leistungskomponenten (MOSFETs, IGBTs) innerhalb eines sicheren Temperaturbereichs arbeiten.

In Klimaanlagen- und Kabinenkomfortsystemen werden NTC-Thermistoren in Sitzheizungen und HVAC-(Heizung, Lüftung und Klimaanlage)-Systemen von Fahrzeugen eingesetzt, um eine komfortable Innenraumtemperatur zu gewährleisten und die Energieeffizienz zu steigern. Für die thermische Verwaltung von LED-Beleuchtung und elektronischen Geräten werden NTC-Thermistoren in LED-Scheinwerfern und In-Car-Display-Bildschirmen verwendet, um die Temperatur zu überwachen und Überhitzung zu verhindern, die Helligkeit und Lebensdauer beeinträchtigen könnte.

NTC-Thermistoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Temperaturerfassung, dem Überhitzungsschutz und der Optimierung der Energieeffizienz in der Automobil-Elektrifizierung. Mit den Fortschritten in der Technologie von Elektrofahrzeugen werden hochpräzise, miniaturisierte und hochtemperaturbeständige NTC-Thermistoren unverzichtbare Komponenten in automobilen elektronischen Systemen sein.

Mit dem Fortschritt der autonomen Fahrtechnologie und IoT-Technologie im Automobilmarkt steigt die Anzahl der installierten elektronischen Komponenten weiter an, was zu einer höheren Dichte auf den Leiterplatten führt. Zudem wird das Problem der Wärmeentwicklung durch erhöhte Belastung der elektronischen Komponenten immer gravierender, da ADAS/TELEMATIK-Geräte zunehmend funktionsreicher werden. Folglich wächst die Nachfrage nach Überhitzungserkennung und Temperaturüberwachung stetig.

Murata hat eine Serie von NTC-Thermistoren eingeführt, die auf der langjährigen Expertise in der Prozesstechnologie basiert, um die NCU-Serie zu entwickeln, die die hoch zuverlässige Größe 0603M (0,6 x 0,3 x 0,3 mm) bietet. Im Vergleich zu früheren Modellen (Größe 1005M) wurde das Volumen dieser Thermistoren um etwa 80 % und die Montagefläche um etwa 70 % reduziert. Durch die schnelle Reaktion auf Marktanforderungen trägt Murata zusätzlich zu den Bedürfnissen nach hoher Zuverlässigkeit, wie Hochdichtemontage und Miniaturisierung, bei.

Die NCU-Serie SMD-Typ NTC-Thermistoren sind für Anwendungen zur Temperaturerkennung im Automobilbereich entwickelt und bieten hohe Zuverlässigkeit, um die strengen Anforderungen des Automobilmarktes zu erfüllen. Sie ermöglichen Temperaturerkennung und -kompensation über einen weiten Temperaturbereich.

Die NCU-Serie umfasst die NCU03-Serie, die Produktlinien für Standard- und Automobilanwendungen bietet. Die Automobilmodelle können in Antriebssträngen und Sicherheitseinrichtungen von Fahrzeugen eingesetzt werden. Die NCU03-Serie misst 0,6 x 0,3 mm (0,2 x 0,1 Zoll) und bietet einen Widerstandswert von 10 kΩ bei 25 °C mit einer Toleranz von ±1 %. Die NCU15-Serie, mit Abmessungen von 1,0 x 0,5 mm (0,4 x 0,2 Zoll), bietet eine breite Palette von Produktvarianten mit Widerstandswerten (25 °C) von 33 kΩ bis 470 kΩ und Toleranzen von ±1 % bis ±5 %. Ebenso bietet die NCU18-Serie, mit einer Größe von 1,6 x 0,8 mm (0,6 x 0,3 Zoll), vielfältige Produktvarianten mit Widerstandswerten (25 °C) von 10 kΩ bis 470 kΩ und Toleranzen von ±0,5 % bis ±5 %, um unterschiedlichsten Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Murata führt seine neueste Serie von NTC-Thermistoren ein, die FTI-Serie, entwickelt, um innovative Temperaturerfassungslösungen für Automobilanwendungen, insbesondere in Leistungsmodule, bereitzustellen. Dieser fortschrittliche Chip-Thermistor ist harzvergossen und bietet elektrische Isolierung, während er unter extremen Temperaturbedingungen hohe Leistung gewährleistet.

Die FTI-Serie bietet zuverlässigen Betrieb über einen weiten Temperaturbereich von -55°C bis 175°C und ist damit ideal für anspruchsvolle Anwendungen in der Nähe von SiC-MOSFETs und IGBT-Modulen geeignet. Ausgestattet mit oberen Elektroden, die direktes Drahtbonden ermöglichen, können diese Thermistoren nahe an Leistungshalbleiterbauelementen montiert werden, was die Genauigkeit der thermischen Reaktion erheblich verbessert. Darüber hinaus sorgt die Harzformung für eine elektrische Isolation zwischen dem Substrat und den internen Komponenten, was eine sichere Integration auf Hochspannungselektroden neben Leistungshalbleitern ermöglicht.

Eine Kristalleinheit (Timing Device Crystal) ist eine Komponente, die ein stabiles Frequenzsignal (Clock) bereitstellt und hauptsächlich als Zeitreferenz und zur Synchronisationssteuerung in elektronischen Schaltungen verwendet wird. Die Kernfunktionen einer Kristalleinheit umfassen eine hohe Stabilität, die es ermöglicht, präzise und stabile Frequenzen bereitzustellen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des Schaltkreissystems zu gewährleisten. Sie zeichnet sich zudem durch einen niedrigen Energieverbrauch aus, was sie aufgrund ihres geringen Energiebedarfs für batteriebetriebene Anwendungen geeignet macht. Darüber hinaus bietet sie eine Interferenzresistenz, die es ermöglicht, unter verschiedenen Umgebungsbedingungen eine zuverlässige Oszillationsfrequenz aufrechtzuerhalten, wodurch sie sich für raue Umgebungen wie Automobilanwendungen eignet. Außerdem kann sie eine Temperaturkompensation bieten, da bestimmte Kristalleinheiten (wie TCXO, Temperature Compensated Crystal Oscillators) eine höhere Frequenzstabilität über einen weiten Temperaturbereich hinweg liefern können.

Mit dem rasanten Fortschritt der Automobilelektronik und der Elektrifizierungstechnologie sind Kristalleinheiten zu einem der Kernkomponenten in automobilen elektronischen Systemen geworden. Ihre primären Anwendungsbereiche umfassen Automobilekommunikations- und Netzwerksysteme, wie CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) und Ethernet. Diese fahrzeuginternen Kommunikationsprotokolle erfordern präzise Frequenzsignale, um die Stabilität und Synchronisation der Datenübertragung zu gewährleisten. Zusätzlich erfordern Technologien wie 5G V2X (Vehicle-to-Everything)-Kommunikation ultra-niedriges Jitter und hochstabile Frequenzreferenzquellen, um Hochgeschwindigkeits-Netzwerkanwendungen für Fahrzeuge zu unterstützen.

In ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) und Anwendungen für autonomes Fahren erfordern Radar- und LiDAR-Systeme hochpräzise Frequenzen, um die Datenverarbeitung zu synchronisieren und so die Erkennungsreichweite und Auflösung zu verbessern. Kameras und Bildverarbeitungseinheiten (ISP, Image Signal Processor) benötigen ebenfalls stabile Frequenzen, um die Synchronisation von Bilddaten und Fahrzeugsteuergeräten (ECU) sicherzustellen.

Für Batteriemanagement- und Leistungselektronik-Steuerungssysteme erfordern Batteriemanagementsysteme (BMS) eine präzise Frequenzsteuerung, um den Lade- und Entladestatus der Batterie zu überwachen und zu verwalten, wodurch die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie gewährleistet wird. Bei der Motor- und Wechselrichtersteuerung sind zuverlässige Frequenzen unerlässlich, um den synchronisierten Betrieb von Leistungselektronikkomponenten (wie IGBTs und MOSFETs) sicherzustellen, die Energieeffizienz zu verbessern und elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu reduzieren.

Andererseits benötigen In-Vehicle Infotainment (IVI)-Systeme sowie Navigationssysteme im Auto (GPS/GNSS) hochpräzise Frequenzsynchronisation, um die Positionierungsgenauigkeit sicherzustellen. Digitale Armaturenbretter und Displays im Fahrzeug erfordern stabile Frequenzen, um reibungslose visuelle Darstellungen und Datensynchronisation zu gewährleisten.

Im EV (Electric Vehicle)-Ladungsmanagement erfordern DC-Schnellladesysteme und kabellose Ladesysteme ebenfalls eine präzise Frequenzsynchronisation für die Energieübertragung und Kommunikationsprotokolle (wie Power Line Communication, PLC), um effiziente und sichere Ladevorgänge zu gewährleisten.

Kristalleinheiten spielen eine entscheidende Rolle bei Anwendungen der Automobilelektrifizierung, einschließlich der Kommunikation im Fahrzeug, des autonomen Fahrens, des Batteriemanagements, des Infotainments und der Ladesteuerung. Mit der fortschreitenden Entwicklung von Elektrofahrzeug- und intelligenten Fahrtechnologien wird die Nachfrage nach hochstabilen, hochtemperaturbeständigen und vibrationsresistenten Kristalleinheiten weiter steigen.

Kristallbausteine nutzen den piezoelektrischen Effekt von Kristallen, um spezifische Frequenzen zu erzeugen. Sie sind unverzichtbar für die Bereitstellung von Taktsignalen in ICs und LSIs, bieten eine hohe Frequenzstabilität, erfordern keine Abstimmung und haben eine kompakte Größe. Heutzutage werden Kristalloszillatoren in Satelliten- und Mobilkommunikation, ebenso wie in der Automobilindustrie, Fernsehern, Computern und DVD-Playern, weit verbreitet eingesetzt, um verschiedenen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Muratas CERALOCK-Kristalleinheiten verwenden eine einzigartige Verpackungstechnologie, die überlegene Qualität, Massenproduktionstauglichkeit und Kosteneffizienz bietet. Muratas automotive Kristalleinheiten erfüllen die Anforderungen der nächsten Generation von fahrzeuginternen Kommunikationsstandards wie Ethernet/FlexRay und unterstützen Lastkapazitäten (Cs) von 6 pF, 8 pF und 10 pF. Das Produktsortiment umfasst außerdem Optionen mit hohem Ansteuerniveau (600 μW) sowie Modelle, die für +125°C/+150°C ausgelegt sind.

Für Automotive-Ethernet (PHY) unterstützen die Kristalleinheiten von Murata ±85 ppm-Standards, während sie für FlexRay ±250 ppm unterstützen. Sie entsprechen den automobilen Zuverlässigkeitsstandards (AEC-Q200) und durchlaufen strenge Tests wie Hochtemperaturlagerung (+125°C, 1000 Stunden), Temperaturzyklen (-55°C bis +125°C, 1000 Zyklen), Feuchtigkeitstests (+85°C, 85% RH, DC 6V, 1000 Stunden) und Hochtemperatur-Belastungstests (+125°C, DC 6V, 1000 Stunden).

Die Kristalleinheiten von Murata zeichnen sich durch kompakte, hochzuverlässige Gehäuse aus, die sich ideal für die Miniaturisierung von Steuergeräten (ECU) eignen. Zum Beispiel bieten Größen von 2,5 x 2,0 mm und 2,0 x 1,6 mm eine Reduktion von über 60 % im Vergleich zu Größen von 3,2 x 2,5 mm. CERALOCK-Resonatoren überzeugen außerdem durch hervorragende mechanische und klimatische Beständigkeit, einschließlich Stoß- und Fallfestigkeit.

Zusätzlich setzt Murata während der Produktion eine einzigartige Partikelscreening-Technologie ein, um fehlerhafte Einheiten zu identifizieren und zu eliminieren, die die Leistung der Einheiten beeinträchtigen könnten. Das Design erleichtert zudem die automatische optische Inspektion (AOI) mit Eckenelektrodenformen, die die Sichtbarkeit der Lötstellen verbessern.

Muratas Automotive-Quarzeinheiten umfassen die Serien XRCGE_M_F, XRCGB_F_C, XRCGE_F_A, XRCGA_F_A und XRCGB_F_A, die sich für diverse Anwendungen im Automobilbereich eignen.