Herausforderungen und Lösungen für die nächste Generation der Automobilentwicklung

Die Automobilumgebung stellt einzigartige Herausforderungen für elektronische Komponenten dar. Im Gegensatz zu vielen Computeranwendungen erleben Automobile extreme Bedingungen wie sehr niedrige und hohe Temperaturen, extreme Luftfeuchtigkeit, Verschmutzung, Vibrationen und Erschütterungen. Zusätzlich zu diesen harschen Bedingungen wird von elektronischen Komponenten in Automobilen erwartet, dass sie sehr lange, stabile und zuverlässige Lebensdauern aufweisen und im Falle einer Fehlfunktion sicher ausfallen.   Verschiedene elektronische Subsysteme in Fahrzeugen stellen ihre eigenen spezifischen Herausforderungen und Anforderungen an die verwendeten Komponenten. Steuerungs- und Sicherheitssysteme (wie Antiblockiersysteme, Rückfahrkameras und adaptive Scheinwerfer) erfordern Komponenten mit außergewöhnlich langen Lebensdauern und hoher Zuverlässigkeit. Der Antriebsstrang (einschließlich Komponenten, die Energie erzeugen und auf die Fahrbahn übertragen) benötigt Komponenten, die hohe Temperaturen und schwere Bedingungen aushalten können. Fahrzeuginterne elektronische Systeme (einschließlich Navigation, fortschrittlicher Diagnose- und Unterhaltungssysteme) erfordern kleine, hochgeschwindigkeitsfähige Komponenten.   In ADAS- und autonomen Fahranwendungen sind ADAS-Domänencontroller und Domänen-Gateways ebenfalls kritische Anwendungsbereiche. Komponenten wie Ethernet-Transformatoren in Domänencontrollern und CAN-Gleichtakt-Drosseln in Domänencontrollern müssen die Anforderungen der AEC-Q200-Norm erfüllen, Gleichtaktstörungen unterdrücken, ohne das Signal abzuschwächen, und Lösungen bieten, die den Anforderungen an Miniaturisierung und Zuverlässigkeit entsprechen. Neue Automobil-Polymerkondensatoren können potenzielle Lösungen für Automobildesigner bieten, indem sie Anforderungen an Platzeinsparung, hohe volumetrische Effizienz/Miniaturisierung und Zuverlässigkeit erfüllen.   Tantalkondensatoren mit Polymer nutzen eine Tantal- (Ta-) Anode, ein Tantalpentoxid- (Ta₂O₅-) Dielektrikum und einen festen Polymerelektrolyten. Diese Konstruktionsweise bietet mehrere Vorteile, darunter hohe Temperaturbeständigkeit und Stabilität gegenüber Temperatur, Spannung und Zeit. Diese Eigenschaften ermöglichen es Tantalkondensatoren mit Polymer, die Anforderungen des AEC-Q200-Automobilstandards zu erfüllen und zu übertreffen.   Anhand von Anwendungen mit DC/DC-Wandlern im Automobilbereich als Beispiel: Da Automobilelektronik typischerweise von Batterien betrieben wird, sind DC/DC-Wandler entscheidend für Automobilanwendungen. Sie reduzieren die Batteriespannung (in der Regel +12V DC) auf geeignetere Spannungsschienen für elektronische Geräte, wie z. B. +5V, +3,3V, +1,8V oder noch niedriger. Die Umwandlung erfolgt oft in Stufen, beispielsweise von 12V auf 5V und dann von 5V auf 3,3V. DC/DC-Wandler liefern die Spannung für diese Leistungsschienen, während Kondensatoren diese Wandler dabei unterstützen, korrekt zu arbeiten und stabile, saubere Energie bereitzustellen.   In einem DC/DC-Wandlerkreis werden Kondensatoren sowohl am Eingang als auch am Ausgang benötigt. Der Eingangskondensator stellt sicher, dass während des Schaltens des Wandlers ein sofortiger Strom zur Verfügung steht. Der Ausgangskondensator stellt sicher, dass während des Schaltens des Wandlers ein sofortiger Strom für die Last (DSP, Mikroprozessor, I/O, USB usw.) verfügbar ist. In Automobilanwendungen müssen diese Kondensatoren nicht nur so konzipiert sein, dass sie die Kapazitätsanforderungen des Stromkreises erfüllen, sondern auch so ausgewählt werden, dass sie die AEC-Q200-Norm einhalten und noch höheren Standards in Bezug auf hohe Temperaturen und raue Bedingungen standhalten.

Forschung, Entwicklung und Innovation bei Tantal-Polymer-Superkondensatoren

Im Bereich der Automobillösungen engagiert sich YAGEO/KEMET für die Forschung, Entwicklung und Innovation von Tantal-Polymer-Superkondensatoren und erzielt zahlreiche Ergebnisse und Patente in den Bereichen dielektrische Studien, Imprägnierungsstudien, Polymerformulierungen, Polymersynthese und Polymerbeschichtungsforschung. Die Kondensatorfertigungsprozesse von YAGEO/KEMET entsprechen der Verarbeitung von Tantalpulver/-draht und verfügen über eine vollständig integrierte Tantal-Lieferkette, wobei sie der einzige vertikal integrierte, diversifizierte, konfliktfreie Tantallieferant mit stabilen Betriebsprozessen sind, die darauf ausgerichtet sind, die wachsende Produktnachfrage zu unterstützen. YAGEO/KEMET bietet zahlreiche automobiltaugliche, hochzuverlässige Produkte an, die den Anforderungen von Automobilanwendungen entsprechen, und hält mit einem Anteil von 44 % am globalen Produktionsvolumen eine führende Position in den Bereichen Automobil, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungslösungen.   Die von KEMET eingeführten Tantal-Polymerkondensatoren (KO-CAP®-Serie) sind feste Elektrolytkondensatoren mit einer leitfähigen Polymer-Kathode, die sich durch niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und verbesserte Kapazitätserhaltung bei hohen Frequenzen auszeichnen und Leistungsverluste sowie unerwünschte Geräusche minimieren. Die KO-CAP-Serie kombiniert den niedrigen ESR von Mehrschichtkeramiken, die hohe Kapazität von Aluminium-Elektrolytkondensatoren und die Volumeneffizienz von Tantal in einem einzigen Oberflächenmontagepaket. Im Gegensatz zu kondensatoren mit Flüssigelektrolyten bieten die KO-CAP-Kondensatoren eine extrem lange Lebensdauer, eine hohe Riffelstromfähigkeit und können den hohen Temperaturen in Automobilanwendungen standhalten. Zum Beispiel behält der T599 Tantal-Polymerekondensator hervorragende Eigenschaften bei Temperaturen von bis zu 150°C bei und bietet eine extrem lange erwartete Lebensdauer.   Der AEC-Q200-Standard ist ein globaler Qualifikationsstandard für passive elektronische Komponenten, die in automobilen Schaltungen verwendet werden. Er umfasst eine strenge Reihe von Belastungstests, und das Bestehen dieser Tests verleiht den Komponenten den Status "qualifiziert". Die T59x-Serie von KEMET-Tantal-Polymerekondensatoren erfüllt diese Anforderungen problemlos und übertrifft sie sogar.   Der AEC-Q200-Standard erfordert, dass passive Komponenten bei den angegebenen Belastungsniveaus für eine Betriebslebensdauer von 1000 Stunden getestet werden. Die T599-Serie von KEMET-Kondensatoren ist für eine Betriebslebensdauer von 2000 Stunden bei 150°C ausgelegt. Bei ordnungsgemäßer Spannungs- und Temperatur-Derating kann die T599-Serie Hochtemperatur-Missionsprofile von bis zu 8000 Stunden und sogar ultra-erweiterte Missionsprofile von 130.000 Stunden (15 Jahre) unter geeigneten Bedingungen unterstützen. Die Lebensdauer- und Ausfallraten-Gleichungen für Polymerekondensatoren können verwendet werden, um ihre Leistung in diesen Missionsprofilen zu validieren.

Polymer-Tantal-Kondensatoren für hochintensive und ultra-lange Einsatzprofile

Die KEMET T599 Tantal-Polymer-Kondensator-Serie bietet Bewertungen bei 100 kHz und zeichnet sich durch einen sehr niedrigen maximalen Reihenwiderstand aus, der zwischen 25 mΩ und 150 mΩ liegt. Dieser bleibt stabil über einen Temperaturbereich von -55°C bis 150°C und weist eine ultra-lange erwartete Lebensdauer auf, die sich für intensive und extrem verlängerte Einsatzzwecke eignet.   Polymer T599-Kondensatoren bieten langlebige Automobillösungen. KO-CAP®-Solid-Tantal-Polymer-Kondensatoren bieten unvergleichliche Lösungen für hohe Temperaturen, kritische Zuverlässigkeitsanforderungen und die lange Lebensdauer, die in Automobilumgebungen gefordert werden. Insbesondere der T599 Tantal-Polymer-Kondensator zeigt hervorragende Eigenschaften bei 150°C mit einer erwarteten Lebensdauer, die unter spezifischen Bedingungen auf bis zu 130.000 Stunden verlängert werden kann. Diese Serie bietet einen Kapazitätsbereich von 33 bis 150 µF und Spannungsbewertungen von 4 bis 35 VDC, was sie ideal für DC/DC-Wandler-Schaltungen und andere Automotive-Anwendungsdesigns macht.

Polymer-Tantal-Kondensatoren, die diverse Anforderungen an Automobilanwendungen erfüllen

In Automobilanwendungen können Tantal-Polymerkondensatoren in Sensorsystemen wie Radar/Lidar-Sensoren (z. B. Hands-On Detection, HOD), Fahrzeugkonnektivität und Anwendungen im Bereich des Smart Cockpits eingesetzt werden, wo die T597/T598 (125°C)-Serie verwendet werden kann. Die T598 (125°C)-Serie eignet sich für Anwendungen in autonomen Fahrsystemen/Erkennung, die T599 (150°C)-Serie für den Antriebsstrang und die T598 (125°C)- sowie die T599 (150°C)-Serie für Fahrgestell- und Sicherheitsbereiche.   Darüber hinaus umfasst die KO-CAP®-Polymer-SMD-Serie von KEMET zahlreiche Produkte, die für den Einsatz in der Automobilindustrie und in rauen Umgebungen entwickelt wurden, wie beispielsweise die T591/T597/T598/T599-Serie hochfeuchtigkeits- und hochtemperaturbeständiger Elektrolyt-Polymerkondensatoren. Diese Kondensatoren bieten eine höhere Kapazität und ESR-Stabilität unter schwierigen Umgebungsbedingungen. Durch Designverbesserungen und ausgewählte Materialaufrüstungen bieten diese Kondensatoren eine Lebensdauer von 500 Stunden (T591) oder 1.000 Stunden (T598, T599) bei 85°C/85% relativer Luftfeuchte und Nennspannung, erfüllen vollständig die AEC-Q200-Qualifikationstests und haben maximale Betriebstemperaturen von 125°C bzw. 150°C. Diese Kondensatoren werden in ISO-TS-16949-zertifizierten Werken hergestellt und unterliegen dem Produktionsprozessprüfungsverfahren (PPAP)/Part Submission Warrant (PSW) und der Änderungssteuerung.   Die KO-CAP®-Polymer-SMD-Serie von KEMET zeichnet sich durch extrem niedrige ESR-Werte, vollständige Einhaltung der AEC-Q200-Zertifikationsprüfungspläne (T597 FD 125°C, T598 125°C, T599 150°C), erweiterte Lebensdauertestzertifizierungen für T598/T599 (VR < 16 V) bis zu 2.000 Stunden bei 125°C, spezielle H/T-Terminals und Stoßstromprüfoptionen (T598) für die Verteidigungs- und Luftfahrtsektoren, Einhaltung oder übertreffen des EIA-Standards 535BAAC, Standard-Tape-and-Reel-Verpackung gemäß EIA 481 und halogenfreie Epoxid-RoHS-Konformität aus.   Typische Anwendungen der KO-CAP®-Polymer-SMD-Serie umfassen Entkopplungs- und Filterfunktionen in verschiedenen Marktsegmenten, die insbesondere für die Automobil-Infotainment-Systeme, ADAS, Fahrgestell- und Sicherheitssysteme sowie Antriebsstranganwendungen geeignet sind, die unter schwierigen Bedingungen wie hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur betrieben werden müssen. Am Beispiel des T598 wird gezeigt, dass kleinere Bauteile und kompakte Moduldesigns genutzt werden. Seine robuste und stabile Ta₂O₅-Dielektrikumsschicht reduziert das funktionale Risiko in Anwendungen. Es handelt sich um ein verlustarmes Bauelement (einstellige ESR-Werte, hohe Ripple-Stromfähigkeit, erweiterter Kapazitätsverhaltensbereich über Frequenzen), bietet effiziente DC/DC-Umwandlung mit geringerem thermischen Widerstand und verfügt über stabile elektrische Eigenschaften über Zeit und Temperatur hinweg, unterstützt Einsatzprofile von mehr als 15 Jahren mit stabiler Leistung.

Fazit

Da Fahrzeuge der nächsten Generation Fortschritte in Richtung Elektrifizierung, Intelligenz und hohe Leistung machen, stellen elektronische Systeme im Fahrzeug immer strengere Anforderungen an die Stabilität der Stromversorgung, Langlebigkeit und Miniaturisierung, was zahlreiche Herausforderungen für das Design der elektrischen Architektur mit sich bringt. Tantal-Polymerkondensatoren, mit ihrem niedrigen ESR, hervorragender Ripple-Strom-Fähigkeit, langfristigen Zuverlässigkeit und kompakten Größe, können die Effizienz der Stromumwandlung effektiv verbessern, den Energieverbrauch und Wärmeverlust reduzieren und einen stabilen Systembetrieb unter rauen Umweltbedingungen gewährleisten. In Zukunft, mit dem kontinuierlichen Fortschritt im Bereich des intelligenten Fahrens und der neuen Energiefahrzeuge, werden die von YAGEO/KEMET eingeführten Tantal-Polymerkondensatoren eine noch entscheidendere Rolle in Fahrzeug-Stromversorgungsmodulen, Steuergeräten und fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen spielen und zu Schlüssellösungen werden, die Innovationen in Fahrzeugen der nächsten Generation unterstützen.