Reliability of thermoelectric modules for automotive application

Fotso Simo, Narcisse; Reh, Stefan (Thesis advisor); Telle, Rainer (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

Die Integration von thermoelektrischen Generatoren in Kraftfahrzeugen zur Umwandlung von Abgaswärme in elektrische Energie stellt einen vielversprechenden Weg zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der CO2 Emission dar. Daher wurden in den letzten Jahren erhebliche Anstrengungen unternommen, um den Wirkungsgrad von hochtemperaturtauglichen thermoelektrischen Modulen (TEM) zu verbessern. Ein wichtiger Aspekt, der oft unterschätzt wird, ist die mechanische Zuverlässigkeit. In dieser Arbeit wird die Zuverlässigkeit von Hochtemperatur-TEMs untersucht. Die analysierten Module bestehen aus Skutterudite-Beinchen, die auf Kupfer-Leiterbahnen mittels eines Silbersinter-Prozesses verbunden sind. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind (i) eine umfassende mechanische Charakterisierung der spröden Skutterudite und der duktilen gesinterten Silberverbindungen sowie (ii) die Anwendung von Bayesianischen statistischen Methoden zur Unsicherheitsanalyse und Zuverlässigkeitsvorhersage von Modulen. Zur Charakterisierung der p- und n-Typ Skutterudite wurden die Festigkeit (bei RT und 500°C) und die zyklische Ermüdungslebensdauer (bei RT) mithilfe des Doppelring-Biegeversuches ermittelt. Als Versagensmodelle wurden die Weibull-Verteilung für Spontanbruch und das Paris Gesetz für unterkritisches Risswachstum verwendet. Wir präsentieren eine neue Bayesianische Methode, die es erlaubt, Daten aus Festigkeits- und Ermüdungsversuchen zu kombinieren, um die Genauigkeit der ermittelten Festigkeits- und Ermüdungsparameter zu steigen. Dieses Verfahren ist besonders nützlich, wenn die Anzahl der getesteten Proben klein ist, was in der Praxis sehr häufig auftritt. Das gesinterte Silber wurde bei Temperaturen bis 500°C mit Zug-, Kriech- und Thermowechselversuchen analysiert. Es ergab sich, dass das Verformungsverhalten adäquat durch das Anand Modell beschrieben werden kann. Zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer wurde das auf der inelastischen Verformungsenergie basierte Coffin-Manson Modell ausgewählt. Die Modellparameter wurden an die Ergebnisse der Thermowechselversuche mit Hilfe von Finite Elemente Simulationen gefittet. Für die Bestimmung der Materialparameter wurden nicht nur die optimalen Werte ermittelt, sondern auch die Unsicherheitsbereiche in Form von Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Die Verteilungen wurden dann als Eingangswerte für eine simulationsbasierte Zuverlässigkeitsanalyse eines vollständigen thermoelektrischen Moduls verwendet. Dies liefert als Endergebnis ein Diagramm der Ausfallwahrscheinlichkeit über die Lebensdauer. Zur Validierung unseres Analyseverfahrens wurde die vorhergesagte Lebensdauer mit der beobachteten Lebensdauer eines TEM verglichen. Die Übereinstimmung ist zufriedenstellend, jedoch sind weitere Lebensdauertests von TEM erforderlich um die Ergebnisse zu stärken. Der wichtigste praktische Nutzen dieser Arbeit ist das verbesserte Verständnis der Wirkzusammenhänge der TEM-Lebensdauer, die aus probabilistischen Analysen extrahiert werden konnten. Es konnte festgestellt werden, dass der kritischste Ausfallmechanismus in TEM die Zerrüttung der Silberverbindungen ist. Dies ist gefolgt vom Sprödbruch von n-Typ Skutterudite Beinchen. Der Bruch von p-Typ Beinchen ist aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften des Materials vernachlässigbar. Die erwartete Lebensdauer der untersuchten TEM ist in der Größenordnung von 1000 Zyklen. Eine Verbesserung könnte durch die Wahl eines anderen Leiterbahnmaterials, dessen Wärmausdehnungskoeffizient besser mit den Skutteruditen übereinstimmt, erzielt werden. Eine quantifizierte Zuverlässigkeitsvorhersage für andere Leitermaterialien und die Beurteilung, ob die erforderlichen 5000 Zyklen mit diesem Ansatz erreicht werden können, kann hier noch nicht getroffen werden, sondern verbleibt als Aufgabe für Folgearbeiten.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

Identifikationsnummern