Relais trennt Lithium-Ionen-Zellen in 15 ms galvanisch vom Stromkreis

| Redakteur: Thomas Kuther

Das gepolt bistabile Relais 760 trennt die Batterie im Stör- oder Crashfall komplett vom Stromkreis des Fahrzeugs, wofür lediglich ein Schaltimpuls von 15 ms notwendig ist. Gleichzeitig ist eine hohe Kurzschlussfestigkeit gegeben: Das Relais kann bei Nennspannung bis zu 5 kA für 100 ms führen und sicher trennen.
Das gepolt bistabile Relais 760 trennt die Batterie im Stör- oder Crashfall komplett vom Stromkreis des Fahrzeugs, wofür lediglich ein Schaltimpuls von 15 ms notwendig ist. Gleichzeitig ist eine hohe Kurzschlussfestigkeit gegeben: Das Relais kann bei Nennspannung bis zu 5 kA für 100 ms führen und sicher trennen. (Bild: © Dmitrii - stock.adobe.com)

Im Gegensatz zu herkömmlichen 12-V-Bleigel-Fahrzeugbatterien ist bei Lithium-Ionen-Modellen aus Sicherheitsgründen der Einsatz eines Batterie-Trennschalters zwingend notwendig.

Derzeit werden zu diesem Zweck MOSFETs eingesetzt, also vergleichsweise teure Lösungen auf Halbleiterbasis, die zudem keine galvanische Trennung zwischen Antriebs- und Lastkreis ermöglichen. Gruner hat nun eine einfache und kostengünstige Alternative für Trennschalter entwickelt: Das gepolt bistabile Relais 760 trennt die Batterie im Stör- oder Crashfall komplett vom Stromkreis des Fahrzeugs und benötigt dafür lediglich einen Schaltimpuls von 15 ms.

Gleichzeitig ist eine hohe Kurzschlussfestigkeit gegeben: Das Relais kann bei Nennspannung bis zu 5 kA für 100 ms führen und sicher trennen. Auch eine integrierte Kontaktüberwachung ist möglich; so lassen sich in Kombination mit einem intelligenten Batteriemanagementsystem sogar der Zustand und die Lebensdauer der Batterie bestimmen. Darüber hinaus ist das Modell 760 besonders flach und lässt sich deshalb platzsparend im Batteriedeckel verbauen.

Da die Ansprüche an 12-V-Zusatz- und -Starterbatterien in modernen Fahrzeugen immer weiter steigen, werden statt der herkömmlichen Bleigel- zunehmend Lithium-Ionen-Batterien verbaut. Sie haben zwei wesentliche Vorteile: „Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen Funktionen, die mit einer 12-Volt-Rekuperation verbunden sind. Sie lassen es also zu, dass im Fahrzeug produzierte Energieströme aktiv in die Batterie zurückgeladen werden“, so Robert Frank, Key Account Manager bei Gruner. „Diese Energie kann beispielsweise für die Segel- oder die Start-/Stopp-Funktion im Auto genutzt werden, wodurch Sprit und damit CO2 eingespart werden.“

Anders bei Bleigel-Batterien: Diese werden zwar permanent über die Lichtmaschine geladen, ein zyklusweises Zurückspeichern von Energie aus Prozessen im Fahrzeug ist jedoch nicht möglich. Hinzu kommt, dass Lithium-Ionen-Batterien ein fest definiertes Spannungsfeld von 11,5 bis 12,5 VDC aufweisen, während bei der Bleigel-Variante ein Spannungsbereich von 6,5 bis 16 VDC vorliegt.

„Bei der Bleigel-Batterie kann es je nach Temperatur starke Schwankungen geben. Wenn sie sich tiefentlädt oder das Auto im Winter länger steht, kann der Wert bei 7,5 Volt liegen, bei vollem Ladezustand und langem Laufen der Lichtmaschine werden 16 Volt erreicht“, erklärt Frank. „Das bedeutet, dass alle elektronischen Bauteile inklusive der Steuergeräte diesen weiten Spannungsbereich abdecken müssen.“ Beim deutlich kleineren Spannungsbereich von Lithium-Ionen-Batterien ist dies nicht der Fall. Dadurch ergeben sich beispielsweise Gewichts- und Kosteneinsparungen bei den elektronischen Komponenten.

Allerdings muss bei Lithium-Ionen-Batterien aus Sicherheitsgründen ein Trennschalter verbaut werden, der die Zellen bei einer Störung oder einem Crash komplett vom Stromkreis des Fahrzeugs trennt. Dies ist notwendig, da es sonst im Schadensfall beispielsweise zu einem Kurzschluss mit anschließender Batterieüberhitzung kommen kann. Um derartige Situationen zu vermeiden, werden bislang meist Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, kurz MOSFET, eingesetzt.

Das ist nicht nur eine aufwändige und damit auch vergleichsweise kostenintensive Lösung, sondern sie ermöglicht zudem keine galvanische Trennung von Antriebs- und Lastkreis. „Dadurch kann es geschehen, dass der Stromkreis nicht vollständig unterbrochen wird und es trotz des Halbleiter-Trennschalters zu thermischen Events oder Kurzschlüssen kommt“, erläutert Frank. Darüber hinaus führt der permanente Ruhe-Strom zu einem erhöhten Verbrauch.

Effiziente galvanische Trennung durch Relais

Die Gruner AG hat aus diesem Grund eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Alternative zu MOSFET entwickelt: Es handelt sich dabei um das Relais 760, ein Modell mit Schraubkontakten, das eigens für Automobilanwendungen konzipiert wurde. Es trennt die Batterie komplett vom Stromkreis des Fahrzeugs; beispielsweise nach einem starken Aufprall. „Als gepolt bistabiles Relais hat das 760 den Vorteil, dass Schaltimpulse von ≤15 ms genügen, um ein Öffnen oder Schließen des Schalters zu vollziehen“, so der Key Account Manager. „Dadurch ist der Bedarf an Steuerleistung gering und die Spulenerwärmung vernachlässigbar. Das Kontaktsystem wird nach dem Schalten durch einen Permanentmagneten in seiner Stellung gehalten.“

Zudem ist beim Gruner-Relais eine hohe Kurzschlussfestigkeit gegeben: Wenn beispielsweise aufgrund eines Fehlerfalles kurzzeitig ein hoher Strom von mehreren tausend Ampere fließt, öffnet sich das 760 aufgrund der speziellen Kontaktanordnung nicht unbeabsichtigt. Bei Nennspannung kann es bis zu 5 kA für 100 ms führen und sicher trennen. Seine dauerhafte Stromtragfähigkeit liegt bei einer Temperatur von 85 °C und einem Kabelquerschnitt von 50 mm2 beispielsweise bei 250 A. Darüber hinaus zeichnet sich das Gruner-Relais durch eine hohe Schockfestigkeit von 50 G aus. So bleibt es auch bei starken Stößen in der definierten Schaltstellung.

Ein weiterer Vorteil des Relais 760 ist seine besonders flache und kompakte Bauform, durch die es zusammen mit dem Batteriemanagementsystem in den Deckel der Batterie eingebaut werden kann. „Auf diese Weise lässt sich wichtiger und begrenzter Platz in der Batterie einsparen“, erklärt Frank. „Je weniger Raum das Relais im Batteriegehäuse einnimmt, desto mehr Zellen lassen sich integrieren, wodurch eine höhere Leistungsdichte erreicht werden kann. Auch das macht das 760 zu einer besonders wirtschaftlichen Lösung.“ Um die flache Bauweise realisieren zu können, setzte Gruner bei diesem Relais ein neues Antriebskonzept sowie eine veränderte Spulenauslegung um.

Diagnosefunktionen erlauben Bestimmung der Batterie-Lebensdauer

Eine wesentliche Anforderung an Gruner war außerdem die Möglichkeit einer integrierten Kontaktüberwachung. „Unsere Kunden haben uns im Zusammenhang mit diesem Relais vielfach auf die Umsetzbarkeit von Monitoringfunktionen angesprochen“, so Frank. „Wir haben das 760 daher so konzipiert, dass es in Kombination mit dem Batteriemanagementsystem verschiedene Diagnoseoptionen gibt.“ So lassen sich beispielsweise Funktionalität und Lebensdauer prüfen sowie ob der Kontakt des Trennrelais offen oder geschlossen ist.

„Werden die Kontakte stromlos geschalten, liegt der Wert bei 500.000 Betätigungen. Geschieht dies unter Last, wird sich die Zahl in Abhängigkeit von der Stromhöhe reduzieren“, erklärt Frank. Im Batteriemanagementsystem werden alle Schaltspiele protokolliert und davon ausgehend auf die verbleibende Lebensdauer der Batterie im Fahrbetrieb geschlossen. Diese Information wird über LIN-Kommunikation an das Steuergerät gegeben, um eine anstehende Wartung oder das Lebensdauerende anzuzeigen.

Aktuell gibt es bereits einige Premiumhersteller, die serienmäßig auf 12-V-Lithium-Ionen-Starterbatterien umgestellt haben und zudem ein intelligentes Batteriemanagementsystem verbauen, das die Voraussetzung für die Nutzung der Relais-Monitoringfunktionen bildet. „Intelligente 12-Volt-Batteriesysteme werden im Auto immer wichtiger. Besonders für das autonome Fahren ist es entscheidend, eine Energieversorgung zu haben, die wirklich zu 100 Prozent verfügbar ist“, resümiert Frank. „Dafür ist eine Stromquelle notwendig, die ihren eigenen Zustand ständig überwacht und Rückmeldung an die anderen Fahrzeugsysteme geben kann. Unser Relais kann einen wesentlichen Beitrag zu dieser funktionellen Sicherheit leisten.

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