Mit der zunehmenden Elektrifizierung und elektronischen Steuerung von Fahrzeugen werden die Bordcomputer und elektrischen Komponenten immer leistungshungriger. Und die elektronischen Bauteile, aus denen die Stromversorgungskreise dieser eingebauten Geräte bestehen, erfordern jetzt technologische Innovationen. TAIYO YUDEN und seine hundertprozentige Tochtergesellschaft ELNA leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Automobilindustrie, indem sie durch die Entwicklung und Bereitstellung von neuartigen „leitfähigen Polymer-Hybrid-Aluminium-Elektrolytkondensatoren“ die Effizienzsteigerung und Miniaturisierung von Hochleistungs-Stromversorgungssystemen vorantreiben.
Alle Mechanismen in modernen Autos, von Scheibenwischern und elektrischen Fensterhebern bis hin zu grundlegenden Funktionen wie Fahren, Abbiegen und Anhalten, werden heute von hoch entwickelten Bordcomputern präzise gesteuert. Darüber hinaus sind Autos seit den letzten Jahren mit fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) ausgestattet, die hoch entwickelte Informationsverarbeitungstechnologien nutzen, und es ist zu erwarten, dass die Entwicklung zu fahrerlosen Autos oder softwaredefinierten Fahrzeugen (SDV) führen wird, in denen Fahrzeugfunktionen mit hohem Mehrwert durch Software realisiert werden.
Durch die zunehmende Elektrifizierung und elektronische Steuerung von Fahrzeugen entwickelt sich das Auto, das heute als „fahrender Computer“ bezeichnet wird, zu einem „fahrenden Rechenzentrum“ weiter. Autos werden mit noch leistungsfähigeren Bordcomputern und Netzwerkgeräten sowie mit elektrischen Komponenten ausgestattet sein, die mit leistungsstärkeren Motoren als je zuvor angetrieben werden.
Je höher entwickelt die Funktionalität dieser in Fahrzeugen verbauten Geräte ist, desto mehr Strom verbrauchen sie in der Regel. Aus diesem Grund werden Stromversorgungskreise notwendig, die elektrische Energie effizienter und stabiler liefern können. Die elektronischen Bauteile, aus denen die Stromversorgungskreise derzeitig bestehen, reichen jedoch nicht mehr aus, um die technischen Anforderungen der nächsten Fahrzeuggeneration zu erfüllen. Mit der Weiterentwicklung von Autos müssen auch die elektronischen Bauteile für die darin verbauten Stromversorgungskreise technologische Innovationen erfahren.
Tadahiro Nakamura von ELNA, einer Tochtergesellschaft von TAIYO YUDEN, sagt: „Wir erweitern unser Angebot an neuartigen ‚leitfähigen Polymer-Hybrid-Aluminium-Elektrolytkondensatoren‘ (im Folgenden Hybridkondensatoren genannt), um einen Beitrag zu noch höherer Zuverlässigkeit, längerer Lebensdauer, Effizienzsteigerung und Miniaturisierung von Stromversorgungskreisen zu leisten, die auf den immer höher werdenden Stromverbrauch von in Fahrzeugen verbauten Geräten ausgelegt sind.“
Die elektronischen Bauteile, aus denen die Stromversorgungskreise von Fahrzeugen bestehen, wie etwa Kondensatoren und dergleichen, müssen nach Kriterien wie hoher Zuverlässigkeit, langer Lebensdauer und hoher Effizienz ausgewählt werden. Und mit der zunehmenden Leistung der in Fahrzeugen verbauten Geräte werden die technischen Anforderungen an diese elektronischen Bauteile immer strenger.
„Üblicherweise werden als Kondensatoren für Stromversorgungskreise in Fahrzeugen Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwendet, die für eine noch höhere Spannungsfestigkeit und größere Kapazitäten geeignet sind. Da es sich bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren jedoch um eine ausgereifte Technologie handelt, gibt es keinen Raum mehr für strukturelle Leistungsverbesserungen, und es ist schwierig geworden, Eigenschaften zu erreichen, die mit der zunehmenden Leistung von in Fahrzeugen verbauten Geräten Schritt halten können“, sagt Nakamura.
In Stromversorgungskreisen in Fahrzeugen werden auch Schaltnetzteile verwendet, und es besteht ein wachsender Trend zu höherer Effizienz und Miniaturisierung durch Erhöhung der Schaltfrequenz. Stromversorgungskreise, die mit 100 kHz oder mehr arbeiten, sind bereits im Einsatz, und Schaltkreise mit Leistungshalbleitern aus Galliumnitrid (GaN), einem Material der nächsten Generation, werden auch mit 1 MHz arbeiten können. Für solche Anwendungen sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren gegenwärtig nicht geeignet.
„Bei Hybridkondensatoren ist der Elektrolyt eine Kombination aus einer herkömmlichen Elektrolytlösung und einem leitfähigen Polymer mit geringerem Widerstand. Dadurch kann der äquivalente Serienwiderstand (ESR) über ein breiteres Frequenzband und einen größeren Temperaturbereich als bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren verringert werden. Der ESR ist einer der Indikatoren für die elektrischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit eines Kondensators, und solche mit niedrigen ESR-Werten haben gute Glättungs- und Einschwingeigenschaften im Stromversorgungskreis, was zu einer stabilen Ausgangsleistung führt. Darüber hinaus verfügen solche Kondensatoren über hervorragende Eigenschaften, wie z. B. die Fähigkeit, Rauschen selbst bei hohen Frequenzen zu absorbieren, wodurch sie die Anforderungen von Stromversorgungskreisen in Fahrzeugen erfüllen können.“ (Nakamura)
Je nach den Materialien, aus denen Kondensatoren bestehen, und deren Aufbau gibt es erhebliche Unterschiede bei den Leistungseigenschaften, die sie erreichen können. Hybridkondensatoren arbeiten mit hohen Schaltfrequenzen und verfügen außerdem über Eigenschaften, die sie für Stromversorgungskreise geeignet machen, die relativ hohe Spannungen bewältigen können. Auf diese Weise können die Anforderungen an die Stromversorgung für Fahrzeuge der nächsten Generation erfüllt werden.
Es gibt auch sog. „leitfähige Polymerkondensatoren“, die nur leitfähige Polymere als Elektrolyt verwenden. Aber da eine Verlängerung der Lebendsauer bei hohen Spannungen schwierig ist, eignen sie sich nicht für die Stromversorgung in Fahrzeugen. Wenn aus irgendeinem Grund ein Sauerstoffdefizit in der Aluminiumoxidschicht – dem Dielektrikum – auftritt, kann sich diese aufgrund der fehlenden Elektrolytlösung nicht selbst reparieren, was den Einsatz in Automobilanwendungen, bei denen es auf Zuverlässigkeit ankommt, schwierig macht. Bei Hybridkondensatoren hingegen kann die Elektrolytlösung Sauerstoffdefizite selbst reparieren, wodurch sich die Lebensdauer verlängert. Aus demselben Grund wird auch Leckstrom reduziert.
Bei Hybridkondensatoren handelt es sich um eine relativ neue Art von Kondensatoren, deren Technologie in den 2010er Jahren eingeführt wurde. Die Anwendungsbereiche, in denen ihre Leistungseigenschaften ausgenutzt werden konnten, waren jedoch begrenzt. Aber die steigende Leistung von in Fahrzeugen verbauten Geräten hat zu einem Bedarf an Kondensatoren geführt, die bei höheren Frequenzen als Aluminium-Elektrolytkondensatoren und bei höheren Spannungen als leitfähige Polymerkondensatoren eingesetzt werden können. Und jetzt, so Nakamura, „ziehen sie als Kondensatoren, die den Anforderungen der Zeit gerecht werden, die Aufmerksamkeit auf sich“.
Bei Hybridkondensatoren ist der Elektrolyt eine Kombination aus einer herkömmlichen Elektrolytlösung und einem leitfähigen Polymer mit geringerem Widerstand. Dadurch können die Vorteile sowohl von Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die für hohe Spannungen geeignet sind, als auch von leitfähigen Polymerkondensatoren für den Betrieb bei hohen Frequenzen genutzt werden.
„Bereits jetzt haben sich Erstausrüster (Hersteller von fertigen Fahrzeugen) und Tier-1-Zulieferer auf der ganzen Welt dazu entschlossen, in den Stromversorgungskreisen der Fahrzeuge, die sie künftig auf den Markt bringen werden, Hybridkondensatoren einzusetzen“, berichtet Nakamura. TAIYO YUDEN erwartet, dass die Nachfrage nach Hybridkondensatoren bis 2025 auf das 2,5-fache und bis 2030 auf das 5,1-fache des Volumens im Vergleich zu 2020 steigen wird. Für die Hersteller von Kondensatoren ist es also eine dringende Aufgabe, Strukturen zu schaffen, die es ihnen ermöglichen, Produkte mit den von den Anwenderunternehmen geforderten Spezifikationen so schnell wie möglich zu entwickeln und zu liefern
„Unsere Stärke ist die Breite unserer Produktpalette. Vor allem bei Produkten mit hoher Kapazität würde ich sagen, dass wir unseren Wettbewerbern voraus sind. Die Verwendung von Kondensatoren mit höherer Kapazität ermöglicht es, Schaltkreise, die zuvor aus mehreren kleinen Kondensatoren bestanden, zu verkleinern und zu vereinfachen. Darüber hinaus bieten wir auch Typen für verschiedene Einsatzszenarien an, wie etwa die für hohe Temperaturen ausgelegte ‚HVK-Serie‘ und die vibrationsbeständige ‚HT/HTK-Serie‘“, sagt Nakamura.
Dass TAIYO YUDEN eine so umfangreiche Produktpalette anbieten kann, liegt an der Erfahrung, die das Unternehmen bisher bei der Belieferung zahlreicher Kunden im Bereich der Automobilkondensatoren gesammelt hat. Es pflegt enge Verbindungen zu seinen Kunden und hat die Spezifikationen, die von zukünftigen Kondensatoren gefordert werden, rasch umgesetzt.
„Wir führen Entwicklung und Produktion durchweg in Japan durch und haben eine Geschäftsstruktur aufgebaut, in der wir die Materialien, aus denen die Kondensatoren bestehen, den Aufbau der Bauteile sowie die Entwicklung und Produktion usw. schnell und auf angemessene Weise abstimmen und miteinander in Einklang bringen können. Dadurch sind wir in der Lage, Produkte mit den von der Automobilindustrie geforderten Eigenschaften so schnell wie möglich zu liefern. Wir planen, die Produktion entsprechend der gestiegenen Nachfrage zu erhöhen“, erklärt Nakamura.
Drastische Leistungssteigerungen von Stromversorgungskreisen, die mit herkömmlichen Kondensatoren nicht erreicht werden können, sind mit Hybridkondensatoren eventuell möglich. Die Zahl der Einsatzszenarien wird in Zukunft wahrscheinlich noch weiter zunehmen. Wenn Sie auf der Suche nach technologischen Innovationen bei Stromversorgungskreisen sind, wäre es vielleicht eine gute Idee, den Einsatz von Hybridkondensatoren in Betracht zu ziehen.