Anforderungen an Relais im Ladekabel für Elektrofahrzeuge

Sicherheit an der Haushaltssteckdose!


Grundsätzlich kann ein Elektrofahrzeug an jeder Haushaltssteckdose geladen werden. Da man es jedoch auf beiden Seiten des Kabels mit für Menschen gefährlichen Spannungen zu tun hat stellt die Sicherheit ein Muss beim Aufbau einer Ladeinfrastruktur dar. Dies wird üblicherweise durch eine Fehlerstromschutzeinrichtung (RCD - Residual  Current protective Device) geleistet, die in einer Wallbox oder im Ladekabel integriert ist.

Die allgemeinen Anforderungen sind in der Norm IEC 61851-1 beschrieben. Die unterschiedlichen Arten des kabelgebundenen Ladens werden als „Ladebetriebsart“ oder „Mode“ bezeichnet. Der hier betrachtete Mode 2 definiert den Ladevorgang an einer Haushaltssteckdose für den Fall, dass die Absicherung der Hausinstallation nicht bekannt ist. Dann muss eine Schutzeinrichtung im Ladekabel integriert sein.
Die Fehlerstromerkennung im Ladekabel wird in der Norm IEC 62752 standardisiert, die als Entwurf vorliegt und voraussichtlich Ende 2015 veröffentlicht wird

Die elektrischen Minimalanforderungen der IEC 62752 an ein Ladekabel nach Mode 2 mit einem Nennstrom von 16 A sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Diese Ströme muss ein Relais in der Ladeeinheit beherrschen. Die Norm fordert eine Kurzschlussstromfestigkeit mit einer maximalen Stromstärke Ip von 1500 A. Dieser darf bei einem 16A Ladekabel aufgrund der geringeren Leitungsquerschnitte auf 1020 A reduziert werden.

Tabelle 1:
Anforderungen der IEC 62752 an ein Netztrennrelais im Ladekabel mit einem Nennstrom von 16 A.
Nennstrom In (A)
16
Maximaler Kurzschlussstrom Ip (A)
1020
Maximales Schaltvermögen Im (A)
250 bzw. 10x In
Kontaktöffnung (mm)
1,8
Luft und Kriechstrecke (mm)
8


Die reduzierten Werte für spezifizierte Ladekabel von 16 A bis 32 A finden sich in Tabelle 2.  
Zudem ist ein Schaltvermögen Im vom zehnfachen Nennstrom aber mindesten von 250 A erforderlich.
Die Kontaktöffnung soll mindestens 1,8 mm betragen.
Die weiteren Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken orientieren sich an der IEC 60664.

Tabelle 2:
Nennstrom In, korrigierter Kurzschlussstrom Ip und zugehöriger Impulsenergie I2t.
In (A)
16
20
25
32
Ip (A)
1,02
1,1
1,25
1,5
I2t (kA2s)
2,5
3,0
3,6
6,0


Bei der geforderten Strombelastung im Kurzschluss tritt eine elektrodynamische Kraft auf, die der Kontaktkraft entgegen wirkt. Dieses Phänomen, auch Levitation (s. auch DC Power Kurzuschlussfestigkeit -> Levitation – Nov. 2014) genannt, kann zum Verschweißen der Kontakte führen. Wenn im Ladekabel keine Sicherung verbaut ist, muss die Absicherung der Hausinstallation im Kurzschlussfall wirken. Für das Auslösen wird eine bestimmte Energie benötigt, die als I2t – Wert angegeben wird. Aus diesem Grund ist in Tabelle 2 neben dem Spitzenstrom IP die Impulsenergie angegeben, die mindestens über die Leitungen geführt werden muss.

Sofern die Belastbarkeit der Relaiskontakte über diesen Beanspruchungen liegt, kann das Relais den Stromkreis öffnen, nachdem die Sicherung ausgelöst hat. Die Funktionsfähigkeit des Relais muss auch nach dem Auslösen der Sicherung erhalten bleiben.

Bei der Entwicklung von geeigneten Relais gilt es, neben den normativen Anforderungen die Belange der Hersteller von Kontrollboxen (ICCPD - Inline Cable  Control Protective Device) zu berücksichtigen. Ein Kriterium neben dem Bauraum ist eine geringe Spulenverlustleistung.

Da das Kabel im Fahrzeug mitgeführt wird, müssen die Vorgaben für Schock- und Vibrationsbelastung aus dem Automobilbereich eingehalten werden.

Bei dem geforderten Kurzschlussstrom von 1020 A benötigt das HES Relais von Panasonic eine Kontaktkraft von ca. 0,5 N, um die Wirkung der Levitation zu verhindern.
Das Relais verfügt über eine Kontaktöffnungsweite von 3 mm. Abb. 1 zeigt das Relais als Leiterplattenvariante mit einer Schaltleistung von 8,7 kW bei 380 VAC und 35 A. In einem Bauvolumen von 40 cm3 sind zur 2-poligen Trennung zwei Arbeitskontakte untergebracht.

Als weitere Besonderheit ist das Relais mit einem Hilfskontakt erhältlich, der als Öffner eine Bewertung des Systems ermöglicht.


Rudolf Kammerer, Panasonic Electric Works Europe AG



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Update 04/11/2016