Flexkarten reduzieren Überwachungskosten

Brennstoffzellen und Elektrolyseure sind Kerntechnologien für eine Wasserstoffwirtschaft und für die Energiewende. Sie bestehen aus hundert und mehr Zellen. Mit unseren Cell Voltage Monitoring-Systemen werden die  einzelnen Zellspannungen überwacht, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten. Für den Spannungsabgriff muss jede einzelne Zelle kontaktiert werden. Dazu dienen unsere sogenannten Cell Voltage Pickups. Anders als viele andere Hersteller von CVM-Systemen setzen wir bei der Kontaktierung immer häufiger auf Flexkarten statt auf herkömmliche Einzelkabel mit Crimpkontakten. Das hat viele Vorteile.

Wenn Sie in einem Tintenstrahldrucker die Tintenpatrone wechseln oder verklemmtes Papier entfernen, ist Ihnen bestimmt schon die dünne, lange Folie mit den feinen Leiterbahnen aufgefallen, die mit dem Druckkopf hin und her fährt: Das ist so eine Flexkarte. Flexkarten haben viele vorteilhafte Eigenschaften wie geringer Platzbedarf, einfacher Anschluss, hohe Robustheit auch bei Bewegung und natürlich die namensgebende Flexibilität. Deshalb werden sie in unzähligen Anwendungen in der Elektronik eingesetzt. Meist geht es darum, geometrisch schwierige Lücken zu überbrücken und Bewegungen oder Vibrationen auszugleichen.

Brennstoffzellen und Elektrolyseure bestehen aus Dutzenden, manchmal auch hunderten Einzelzellen, die durch Bipolarplatten getrennt werden. Bisher dachten die Hersteller, für die Überwachung reiche aus, lediglich die Gesamtspannung des Stacks zu messen. Mehr und mehr setzt sich aber die Erkenntnis durch, dass man am besten die Spannung von jeder einzelnen Zelle misst, damit der Betreiber das Nachlassen der Leistung des Stacks frühzeitig erkennen und sofort reagieren kann – und zwar nicht nur im Labor an Prototypen, wie es bisher der Fall war, sondern an jeder einzelnen Zelle in jedem Stack, etwa in Serienfahrzeugen.

Die Zellspannungssignale werden von CVP abgenommen (Cell-Voltage-Pickups). Wie genau diese CVP aussehen, hängt wesentlich von den Bipolarplatten des jeweils zu kontaktierenden Zellstapels ab: Dort können etwa V-förmige Vertiefungen oder sogenannte Fahnen für den Kontakt vorgesehen sein, oft sind es aber sogenannte Pinholes für die Aufnahme von Rundnadelkontakten. Weil jede Zelle nur zwischen ein und zwei Millimeter dünn ist, haben diese Rundnadelkontakte einen ebenso geringen Abstand. Auf einer Handbreite drängen sich folglich gut hundert winzige Nadelkontakte – die Kontaktierung ist eine echte Herausforderung. Die Entwicklungen von SMART TESTSOLUTIONS setzen hier Maßstäbe, kein Wettbewerber hat eine solche Fülle an CVP-Lösungen entwickelt.

Wichtiges Detail der Zellkontaktierungen: Die Signale müssen von jedem Kontakt an das CVM weitergeleitet werden, wo die Signale ausgelesen und vorverarbeitet werden. Der Haken: CVP und CVM befinden sich auf unterschiedlichen Platinen, weil direkt am Zellstack meist kein Platz für beide ist; es braucht also eine Art Kabelbaum. Crimpkontakte sind sehr fehleranfällig, neigen etwa dazu, unter Vibration – etwa in einem Brennstoffzellenfahrzeug – zu brechen. Bei mehreren hundert Kontakten ist die Fehlersuche sehr aufwändig.

Flexible Leiterbahnen verbinden Zellkontakt und CVM-Messelektronik

Hier kommen nun die Flexkarten ins Spiel. Deren Leiterbahnen führen vom CVP zu den CVM mit der Messelektronik. Dabei kann die Zahl der Verbindungen pro Platine beziehungsweise pro Flexkarte variieren. Die Flexkarte erlaubt eine große Freiheit beim Design. Wo die Kontakte sitzen, wie viele Leiterbahnen zusammengefasst sind und zu welchen CVM-Modulen sie führen, kann der Entwickler weitgehend frei bestimmen. Sind Änderungen am Stack oder am CVM-System erforderlich, kann die Flexkarte im Handumdrehen angepasst werden. Das macht es einfach, die Flexkarten auf unterschiedliche Zellpitches auszulegen. Selbst bei ein und demselben Hersteller variieren die Dicken der Zellen je nach Modell.

In einer konkreten Lösung für eine Brennstoffzelle eines Automobilzulieferers überbrückt die Flexkarte mit rund 200 Verbindungen elegant einen Höhenunterschied von einigen Millimetern zwischen CVP und CVM. Man stelle sich vor, man müsste das mit Einzelkabeln machen. Jedes Kabel bräuchte eine unterschiedliche Länge, oder man hätte an den kurzen Verbindungen überschüssiges Kabel und damit ein Kabelknäuel. Außerdem wäre das Crimpen der winzigen Kontakte höchst anspruchsvoll und fehleranfällig.

Hier die Vorteile einer Flexkarte für die Verbindung von CVP und CVM auf einen Blick:

• Hohe Lebensdauer: Durch die Flexibilität kommt es bei Flexkarten nie zu Brüchen der Leiterbahnen. Die Kontakte lassen sich beim Löten mit einem Lack dauerhaft vor Korrosion schützen.
• Hohe Durchschlagsfestigkeit.
• Hohe Verfügbarkeit: Flexkarten, oft auch als flexible Leiterkarten bezeichnet, gibt es zu günstigen Preisen am Markt, jeder Hersteller von Leiterplatten liefert sie in großen Stückzahlen in guter Qualität.
• Die Folie der Flexkarte lässt sich direkt beim Lieferanten beschriften, mit Typnummer, Eigenschaften etc. Mit Einzelkabeln wäre das schwierig, kleine Klebefähnchen würden enorm viel Arbeit machen mit hoher Verwechslungsgefahr.
• Geringe Kosten: Ein genaue Kostenkalkulation ist schwierig, da diese stark von der Auslegung abhängt. Geschätzt kann man sagen, dass die Lösung mit der Flexkarte gegenüber der Einzelverkabelung der Kontakte etwa 50 Prozent der Kosten pro Messkanal einspart.
• Hohe Qualitätsstandards: Für Leiterkarten und Polyamid-Folien existieren zahlreiche Normen und Qualitätsstandards (IPC-Normen), die bei Entwicklern und Kunden Sicherheit erzeugen.