E-Car erfordert besondere Relais


In Hybrid- und Elektrofahrzeugen müssen elektrische und elektronische Komponenten erhöhten Anforderungen genügen. Ein Grund dafür sind die deutlich erhöhten Bordnetzspannungen gegenüber Fahrzeugen mit konventionellem Verbrennungsmotor. Für Schaltgeräte besteht dabei eine große Herausforderung im Zu- und Abschalten der Antriebsakkumulatoren.


Aufgrund vorhandener Zwischenkreis-Kapazitäten könnten beim direkten Einschalten der Hauptschütze die Kontakte durch extrem hohe Einschaltströme Schaden nehmen und verschweißen. Beim Zuschalten des Bordnetzes stellt die Kapazität C einen Kurzschluss dar. Der sofort einsetzende Ladestrom wird nur von Leitungs- und Innenwiderständen begrenzt. Er kann 1.000 A und mehr erreichen. Deshalb wird nach dem Schließen des Hauptschütz 2 und vor dem Schließen des Hauptschütz 1 über den Kontakt des Vorlade-Relais und den Vorlade-Widerstand der Einschaltstrom begrenzt. Nach einer angemessenen Ladezeit der Zwischenkreiskapazität C wird das Hauptschütz 1 eingeschaltet und das Vorlade-Relais ausgeschaltet.

Das Ziel des Vorladens besteht darin, die Spannungsdifferenz zwischen Kondensator und Akku so zu verringern, dass nach der Vorladung nur noch geringe Ströme beim Zuschalten des Hauptschütz 1 auftreten. Ist das System außer Betrieb, sind alle Schütz- und Relaiskontakte offen. Zur Inbetriebnahme ist eine Ansteuerelektronik erforderlich, welche die Schütze und Relais innerhalb der Akkutrenneinheit kontrolliert aktiviert bzw. die Hauptschütze und das Vorlade-Relais in der vorgegebenen Reihenfolge ansteuert:

  • Schließen des Hauptschütz 2 im Minus-Zweig
  • Schließen des Vorlade-Relais zur Aktivierung des Vorladekreises
  • Laden der Zwischenkreiskapazitäten unter Strombegrenzung
  • Schließen des Hauptschützes 1 im Plus-Zweig nach Erreichen einer definierten Vorladespannung
  • Öffnen des Vorlade-Relais

Das Vorlade-Relais muss auf die maximal zulässige Akkuspannung hin ausgelegt werden, da im ausgeschalteten Zustand diese Spannung am geöffneten Vorladekreis anliegt.

Es muss den durch den Vorlade-Widerstand begrenzten Vorlade-Spitzenstrom bei voller Akkuspannung einschalten können. Der maximale Vorlade-Strom wird durch den Vorlade-Widerstand R bestimmt, der in Abhängigkeit von der Zwischenkreis-Kapazität C und der gewünschten Vorlade-Zeit dimensioniert wird. Im Störungsfall muss mit dem Vorlade-Relais der maximale Vorlade-Strom auch abgeschaltet werden können.


Bild 1: Vorladung und Hauptschütze


Bild 2: Vorlade-Ziel und Vorlade-Zeit


Im Normalfall schaltet es jedoch nahezu stromlos aus, und aufgrund der kurzen Vorlade-Zeiten ist eine geringe Stromflussdauer gegeben. Für den Vorlade-Widerstand ergibt sich hingegen eine starke Belastungdurch den hohen Ladestrom während der Vorladung, so dass er entsprechend auszulegen ist. Bild 2 zeigt ein typisches Beispiel einer Vorladung.

Das Vorlade-Relais erfüllt eine wesentliche Funktion zur Sicherstellung der Verfügbarkeit des gesamten Systems. Eine nicht erfolgte oder unvollständige Vorladung kann wegen der dann auftretenden hohen Einschaltströme zu Schäden an den Hauptschützen führen.

Das Mini K HV Relais wurde als Vorlade-Relais für die oben beschriebene Anwendung entwickelt. Mit seinen Abmessungen von (20,7 x 25,55 x 19,3) mm ist es für Schaltströme bis 20 A und 450 V DC geeignet. Selbst im Störungsfall ist dieses Relais in der Lage, den Vorladekreis zuverlässig vom Antriebsakku zu trennen.
Joachim Faul, Tyco Electronics AMP GmbH

Positionspapier:
Elementarrelais –
CE-Kennzeichnung




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Deutschen Schaltrelais-Hersteller im ZVEI
Update 04/11/2016