Relais trennt Autobatterie galvanisch vom Stromkreis

| Autor / Redakteur: Robert Frank * / Kristin Rinortner

Intelligente Batterieüberwachung: Das gepolte bistabile Relais trennt die Batterie im Stör- oder Crashfall komplett vom Stromkreis des Fahrzeugs, wofür ein Schaltimpuls von 15 ms notwendig ist. Das Relais kann bei Nennspannung bis zu 5 kA für 100 ms führen und sicher trennen.
Intelligente Batterieüberwachung: Das gepolte bistabile Relais trennt die Batterie im Stör- oder Crashfall komplett vom Stromkreis des Fahrzeugs, wofür ein Schaltimpuls von 15 ms notwendig ist. Das Relais kann bei Nennspannung bis zu 5 kA für 100 ms führen und sicher trennen. (Bilder: Gruhner)

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 sogenannte MOSFETs eingesetzt, also vergleichsweise teure Lösungen auf Halbleiterbasis, die zudem keine galvanische Trennung zwischen Antriebs- und Lastkreis ermöglichen.

Die baden-württembergische Gruner AG hat eine einfache und kostengünstige Alternative für Trennschalter entwickelt: Das gepolte bistabile Relais 760 trennt die Batterie im Stör- oder Crash-Fall komplett vom Stromkreis des Fahrzeugs und benötigt dafür einen Schaltimpuls von lediglich 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 den herkömmlichen Bleigel- zunehmend Lithium-Ionen-Akkus verbaut. Sie haben zwei wesentliche Vorteile: Lithium-Ionen-Akkus ermöglichen Funktionen, die mit einer 12-V-Rekuperation verbunden sind. Sie lassen es also zu, dass im Fahrzeug produzierte Energieströme aktiv in die Batterie zurückgeladen werden. Diese Energie kann beispielsweise für die Segel- oder die Start-Stopp-Funktion im Auto genutzt werden, wodurch Sprit und damit CO2 eingespart werden.

Ein Trennschalter für den Lithium-Ionen-Akku

Anders bei Bleigel-Akkus: Sie 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-Akkus 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 Bleigel-Akkus kann es je nach Temperatur starke Schwankungen geben. Wenn sie sich tiefenentlädt oder das Auto im Winter länger steht, kann der Wert bei 7,5 V liegen, bei vollem Ladezustand und langem Laufen der Lichtmaschine werden 16 V erreicht. Das bedeutet, dass alle elektronischen Bauteile inklusive der Steuergeräte diesen weiten Spannungsbereich abdecken müssen. Beim deutlich kleineren Spannungsbereich von Lithium-Ionen-Akkus 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. Das 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 (MOSFETs) 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 passieren, dass der Stromkreis nicht vollständig unterbrochen wird und es trotz des Halbleiter-Trennschalters zu thermischen Events oder Kurzschlüssen kommt. Darüber hinaus führt der permanente Ruhe-Strom zu einem erhöhten Verbrauch.

Das Relais wird effizient galvanisch getrennt

Gruner hat aus diesem Grund eine Alternative zu MOSFETs entwickelt: Das Relais 760, ein Modell mit Schraubkontakten, wurde für Automobil-Anwendungen konzipiert. Es trennt die Batterie komplett vom Stromkreis des Fahrzeugs; beispielsweise nach einem starken Aufprall. Als gepoltes bistabiles Relais hat das 760 den Vorteil, dass Schaltimpulse von ≤15 ms genügen, um ein Öffnen oder Schließen des Schalters zu vollziehen. 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 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.

Das Relais 760 ist eine einfache und kostengünstige Alternative zu MOSFET, mit der eine intelligente Batterieüberwachung erfolgen kann.
Das Relais 760 ist eine einfache und kostengünstige Alternative zu MOSFET, mit der eine intelligente Batterieüberwachung erfolgen kann. (Bilder: Gruhner)

Darüber hinaus zeichnet sich das 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. Je weniger Platz das Relais im Batteriegehäuse einnimmt, desto mehr Zellen lassen sich integrieren, wodurch eine höhere Leistungsdichte erreicht werden kann. Um die flache Bauweise zu realisieren, wurden ein neues Antriebskonzept sowie eine veränderte Spulenauslegung umgesetzt.

Diagnosefunktionen für Batterie-Lebensdauer

Eine wesentliche Anforderung war außerdem die Möglichkeit einer integrierten Kontaktüberwachung. Das Relais wurde so konzipiert, dass es in Kombination mit dem Batteriemanagementsystem verschiedene Diagnoseoptionen gibt. So lassen sich beispielsweise Funktion und Lebensdauer prüfen sowie, ob der Kontakt des Trennrelais offen oder geschlossen ist. Werden die Kontakte stromlos geschaltet, liegt der Wert bei 500.000 Betätigungen. Geschieht dies unter Last, reduziert sich die Zahl in Abhängigkeit von der Stromhöhe. 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.

Das 760 bietet auch Möglichkeiten der integrierten Kontaktüberwachung. So kann in Kombination mit einem intelligenten Batteriemanagementsystem sogar die Lebensdauer der Batterie bestimmt werden.
Das 760 bietet auch Möglichkeiten der integrierten Kontaktüberwachung. So kann in Kombination mit einem intelligenten Batteriemanagementsystem sogar die Lebensdauer der Batterie bestimmt werden. (Bild: Gruhner)

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-V-Batteriesysteme werden im Auto immer wichtiger. Hier ist es besonders das autonome Fahren bei dem es entscheidend ist, eine Energieversorgung zu haben, die wirklich zu 100% verfügbar ist. Für diese Anwendung ist eine Stromquelle notwendig, die ihren eigenen Zustand ständig überwacht und Rückmeldung an die anderen Fahrzeugsysteme geben kann. Somit leistet das Relais einen Beitrag zur funktionalen Sicherheit.

* Robert Frank ist Key Account Manager bei der Gruner AG in Wehingen.

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