Elektromobilität Welche Anforderungen Relais in E-Mobilen erfüllen müssen

Autor / Redakteur: Dr. Mihail Brezeanu * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Das Schalten der hohen Gleichspannungen in Elektrofahrzeugen stellt hohe technische Anforderungen an DC-Schnelllade-, Vorlade- und Hauptschütze. Wir verraten Ihnen, welche sie erfüllen müssen.

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Elektrisch angetriebene Fahrzeuge: Elektromagnetische Schütze zum Schalten der hohen Gleichspannungen müssen besonderen Anforderungen gerecht werden
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge: Elektromagnetische Schütze zum Schalten der hohen Gleichspannungen müssen besonderen Anforderungen gerecht werden
(Bild: TE Connectivity)

E-Mobility ist heute eines der Hauptthemen in der Automobilindustrie, da sie für geringere Emissionen, höhere Energieeffizienz und die Möglichkeit neuartiger Hochleistungsfunktionen für den Komfort der Passagiere steht. Derzeit gibt es zwar nur wenige DC-Spannungsapplikationen >60 V in Elektrofahrzeugen, diese erfordern jedoch im Vergleich zu Kleinspannung eine deutlich aufwändigere Isolierung, die sich bei Schaltfunktionen am besten über elektromagnetische Schütze realisieren lässt.

Dazu gehören die DC-Schnelllade-, Vorlade- und Hauptschütz-Applikationen. Die beiden letztgenannten befinden sich in der BDU (Battery Disconnect Unit), welche die Batterie durch Laststrommessungen und Regulieren der Energieverteilung im Vorlade- und im Betriebsmodus schützt und im Fehlerfall die Notabschaltung auslöst.

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Da wesentlich höhere Lastspannungen (max. 500 VDC für Pkw und max. 900 VDC für Lkw) und implizit höhere Leistung im Vergleich zu den 12- und 24-VDC-Standardapplikationen verwendet werden, sind alle drei DC-Anwendungen gemäß ISO 6469-3 (Elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge – Sicherheitsspezifikation – Teil 3: Schutz von Personen gegen elektrischen Schlag) in der Kfz-Lastspannungsklasse B eingestuft. Diese Anwendungen stellen neue Anforderungen sowohl in Bezug auf die Dauer- und Kurzstromtragfähigkeit als auch an das Einschalt- und Abschaltvermögen von Hochleistungsschützen.

Um die notwendigen Haltekräfte für Dauer- und Kurzstromtragfähigkeit zu erreichen, werden leistungsstarke Spulen in den Schützen verwendet. Zusätzlich werden Magnete in größeren und optimierten Kontaktkammern für die Löschung der Lichtbögen beim Abschalten eingebaut. Dafür wird mehr Platz und Material im Vergleich zu den Relais für 12- und 24-VDC-Applikationen benötigt, was zwangsläufig zu höheren Herstellungskosten führt.

Wie in Bild 1 zu sehen ist, enthält die BDU zwei Hauptschütze (HS1 und HS2), ein Vorladeschütz (VS), einen Stromsensor (SS), einen Vorladewiderstand (R) und die passende Hauptsicherung (S).

Die folgenden Schaltsequenzen sind im normalen Betriebsmodus der BDU zu berücksichtigen:

  • HS2 schaltet lastlos ein.
  • Wegen des Vorladewiderstandes schalten das VS unten Lastspannung bei einem begrenzten Vorladestrom ein. Hier wird empfohlen, den Vorladestrom auf max. 20 A zu begrenzen und den Kondensator (C) bis 95% aufzuladen.
  • Danach schaltet das HS1 bei max. 250 A und max. 5% der Lastspannung ein.
  • Da der Vorladekreis nun nicht mehr notwendig ist, schaltet das VS nach max. 500 ms nahezu lastlos aus.
  • Am Ende des Betriebszyklus schalten das HS1 bei sehr niedriger Leistung und später das HS2 lastlos aus.

Um Gefährdungen durch elektrischen Schlag bzw. Einschränkungen der Funktionssicherheit auszuschließen, fordert die ISO6469-3 die Einhaltung der Luft- und Kriechstrecken nach IEC60664-1. Sie lässt aber auch alternativ die Überprüfung des Isolationswiderstandes und der Spannungsfestigkeit nach Konditionierung unter Worst Case Umweltbedingungen in Verbindung mit den Lasttests zu. Dieser alternative Weg wird nachfolgend detaillierter beschrieben.

Diese Anforderungen gelten sowohl für offene Stromkreise als auch für Stromkreise gegeneinander, (z.B. Lastkreis gegen Steuerkreis). Es ist daher Bestandteil aller Last- oder Überlasttests, den Isolationswiderstand und die Spannungsfestigkeit zu überprüfen. Der Isolationswiderstand neuer Schütze liegt normalerweise im Bereich einiger hundert Giga-Ohm. Nach der normalen Betriebslebensdauer der BDU (10 Zyklen/Tag für 15 Jahre) darf der Isolationswiderstand nicht unter einen festgelegten Mindestwert fallen.

Im Überlast- oder Fehlerfall müssen die Vorlade- oder die Hauptschütze die ganze Last zwischen Batterie und Bordnetz bzw. das DC-Schnellladeschütz (DC-LS) zwischen On-Board-Charge-Module (OBCM) und Batterie trennen können. Die beim Abschalten entstehenden hochenergetischen Lichtbögen bewirken die Verdampfung des Kontaktmaterials, welches sich auf den inneren Wänden der Kontaktkammer der Schütze ablagert. Das kann zur Reduzierung des Isolationswiderstandes und der Spannungsfestigkeit führen.

Die Anforderungskriterien gemäß ISO 6469-3 sind ein minimaler Isolationswiderstand von 500 Ω/V für AC-Spannungen und 100 Ω/V für DC-Spannungen. Zusätzlich wird oft auf die LV124 referenziert. Hier ist der geforderte Isolationswiderstand deutlich höher und liegt bei 5 MΩ für DC-Systeme.

Die Spannungsfestigkeit der Schütze muss nach der Konditionierung bzw. nach den Lasttests gegeben sein; die für Basisisolierung benötigte Prüfspannung wird mittels der Gleichungen (2 Umax + 1000) [VAC] bzw. (2 Umax + 1000) 1,41 [VDC] berechnet.

Neuentwicklungen werden durch entsprechende Dimensionierung der Luft- und Kriechstrecken speziell auf die Isolationsanforderungen von DC-Spannungen der Elektrofahrzeuge ausgelegt. Sie erfüllen auch die speziellen Überlastforderungen des Batteriemanagements und sind damit für die oben beschriebenen Applikationen hervorragend geeignet.

Darüber hinaus bietet TE Connectivity ein umfangreiches Relaisportfolio für nahezu alle Anwendungsgebiete sowie hochqualifizierte technische Unterstützung durch die Applikationsabteilung bei kundenspezifischen Produktmodifikationen und Neuentwicklungen.

* Dr. Mihail Brezeanu ist Application Engineer TE Relay Products bei der Tyco Electronics AMP GmbH, einer TE Connectivity Ltd. company, in Berlin.

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