Das elektromechanische Relais im Brennpunkt der E-Mobilität

Kostenkalkulatoren, Optimisten & Optimierer


Hochvolt-Relais sind seit fast zwei Jahrzehnten in Elektro- und Hybridfahrzeugen im Einsatz. Auch wenn die Zulassungszahlen von reinen Elektrofahrzeugen in Europa noch verschwindend gering sind, haben Hersteller und Zulieferer durch erste erfolgreich abgeschlossene Projekte eine steile Lernkurve durchlaufen.
Mit der hinzugewonnenen Erfahrung gibt es neue Ansätze, die elektrischen Antriebssysteme zu bauen, was folgend am Beispiel der Sicherheitsabschaltung diskutiert wird.

Unabhängig davon, ob es sich um ein Elektro-, Hybrid- oder Wasserstofffahrzeug handelt, ist die sichere Abschaltung der Hochvoltbatterie im Fehlerfall unabdingbar.
Das Abschalten von hohem Gleichstrom bei einer Batteriespannung von üblicherweise 450V ist nicht ohne weiteres zu bewerkstelligen. Der beim Öffnen des Stromkreises auftretende Lichtbogen wird in der Regel durch ein Relais mit Brückenkontakt getrennt. Um dies auf kleinstem Raum zu erreichen, werden u.a. Blasmagnete, gekapselte Systeme, Löschgase (bspw. H2, SF6) und/oder spezielle Kontaktgeometrien verwendet. Im Normalbetrieb werden die Kontakte stromlos geschaltet. Bei unsicheren Zuständen des Systems oder einem Unfall, wird durch eine „Notabschaltung“ die Batterie vom Rest der Elektronik getrennt.

Das Relais trennt im Fehlerfall Ströme, die im normalen Fahrbetrieb auftreten. Darüber hinaus auch Überströme, die ein Indiz für Systemunstimmigkeiten oder Gefahren sein können, aber von der Sicherung aufgrund ihrer Trägheit und Höhe zu spät unterbrochen werden. Bei großem Überstrom, z.B. Kurzschluss von > 1000 A, wird der Stromkreis durch eine Sicherung getrennt.
Um alle möglichen Fehlzustände abzudecken, bedarf es einer optimalen Abstimmung aller Komponenten.

Gewünscht ist ein optimaler Kompromiss zwischen Stromtragfähigkeit und sicherer Trennfähigkeit. Aufgrund der gestiegenen Expertise sind heute die Anwender bereit, früher „aufgeschlagene“ Sicherheitsreserven an das Relais zu reduzieren.
Zum Beispiel erwägt man auf die Forderung zu verzichten, dass das Relais nach einer Notabschaltung noch seine volle Funktionalität besitzt. Das bedeutet ein Verschweißen der Kontakte zu erlauben, wenn die
Sicherung den Stromkreis nicht reversibel unterbricht.
Dies ist aus Sicht von Panasonic zu akzeptieren, insofern das System so ausgelegt wird, dass das Relais mechanisch nicht zerstört wird oder gar in Brand geraten kann. Um eine Gefahr für die Fahrzeuginsassen auszuschließen, ist daher die Auswahl aller sicherheitsrelevanten Komponenten mit größter Sorgfalt vorzunehmen. Bei der Auswahl der Sicherung sind deshalb alle möglichen Systemzustände zu beachten.
Wie zum Beispiel, wenn im Kurzschlussfall der Relaiskontakt öffnet. Dann steigt die Impedanz im Stromkreis und der Strom nimmt ab. Die Energiemenge um die Sicherung auszulösen wird unter Umständen deutlich verzögert oder gar nicht erreicht.
Das Öffnen des Kontakts kann durch einen Überstromsensor gezielt ausgelöst werden oder im ungünstigsten Fall durch Levitation.
Tritt Levitation auf und wurde sie bei der Risikoanalyse nicht ausreichend beachtet, ist es in ungünstigen Fällen sogar möglich, dass die Sicherung gar nicht trennt, sondern dass das Relais vorher abbrennt.
Dann wird in der Regel der Stromkreis auch unterbrochen, aber dieser Vorgang findet unkontrolliert statt und das Fehlerbild ist nicht vorhersagbar.
Siehe auch Artikel DC Power Relais Kurzschlusseffekt -> Levitation!

Aufgrund der rasanten Entwicklung in der E-Mobilität bleiben Elektromechanische Relais ein brandaktuelles
Thema und erfordern in der Entwicklung eine enge Zusammenarbeit von Komponentenhersteller, Systemintegratoren und Fahrzeughersteller.

Panasonic ist bestrebt die Produkte der EV Relais Serie kosteneffizient herzustellen, stetig zu verbessern und zu verkleinern, wobei die Sicherheit für Mensch und Gerät stets im Vordergrund aller Innovationen steht.
Dipl.-Ing. (FH) Thomas Merkel
Panasonic Electric Works Europe AG




Relais aktuell Nov. 14:
Relais aktuell Nr. 13 herunterladen

In dieser Ausgabe:
Von Europa in die Welt!
Editorial:
In die Zukunft schalten und Weltmeistertitel halten
Kostenkalkulatoren, Optimisten & Optimierer
Elementarrelais und funktionale Sicherheit
Die Zukunft des "Würfels"
Elektromobilität fordert modernste Schaltrelais
DC Power Relais Kurzschlusseffekt -> Levitation

©2014 Forum Innovation der
Deutschen Schaltrelais-Hersteller im ZVEI
Update 04/11/2014