Elektromobilität - Relais in Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Alternative Antriebskonzepte


Elektrifizierte Fahrzeuge zeigen unabhängig vom Grad der Elektrifizierung wesentliche gemeinsame Merkmale und eine - im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen - höhere Komplexität des Bordnetzes. In das Bordnetz sind Hochvolt-Batterien als aufladbare Energiespeicher integriert. Die Betriebsspannung muss, im Vergleich zu Fahrzeugen mit reinem Verbrennungsmotor deutlich angehoben werden. Damit erwachsen bei diesen Fahrzeugen höhere und neue Anforderungen an Komponenten wie Relais, Steckverbinder und Leitungen.

So hat das Betriebs- und Sicherheitskonzept des Fahrzeugs vorzusehen, dass die Berührbarkeit gefährdender Potenziale ausgeschlossen wird und Personenschutz gewährleistet ist, da Spannungen von bis 1000 VDC und Kurzschlussströme im Kilo-Ampere-Bereich auftreten können.

Die Hochvolt-Energiespeicher müssen bei verschiedensten Anlässen aktiv vom Bordnetz getrennt bzw. wieder hinzugeschaltet werden können.

Im Normalbetrieb, bei Wartung, Instandhaltung und insbesondere bei Unfall oder im Fehlerfall muss eine galvanische Trennung vom Hochvoltnetz möglich sein. Dafür ist der abgestimmte Einsatz von speziellen Hochvoltsicherungen in Verbindung mit Hochvoltrelais nötig.

Relais in Gleichspannungs-Hochvoltanwendungen müssen beim Abschalten hoher Ströme eine sichere Lichtbogenlöschung ermöglichen.

Bei zu trennenden Spannungen bis zu 1000 VDC werden verschiedene Konstruktionsmaßnahmen kombiniert.

Dazu gehören bei Hauptrelais Brückenkontakte in hermetisch dichten Lösch-Kammern, die eine Gas-Druckfüllung enthalten.

Löschmagnete drängen die Lichtbögen durch ihre Feldwirkung aus dem Bereich der sich öffnenden Kontakte.

Bild 1: Schnittansicht EV200 von Tyco Electronics

Vorladerelais kommen meist ohne Gasbefüllung aus, benötigen aber mindestens auch Löschmagnete. Spielen beim Design klassischer Relaisanwendungen im 12-Volt-Bereich Gesichtspunkte wie die Ansteuerung oder die Ein- und Ausschaltbedingungen schon eine wichtige Rolle, gewinnen diese im Hochvoltbereich existenzielle Bedeutung.

Kontaktverschleißende Ausschaltlichtbögen sind in ihrer Dauer kurz zu halten, deshalb wird in der Auslegung eine hohe Dynamik mit geringen Abschaltzeiten vorgesehen. Die Auswirkung von Parallelbauelemente, wie z.B. Dioden zur Spulendämpfung, sind sehr genau zu betrachten, da sie eine unzulässige Verlängerung der Rückfallzeiten bewirken können. Das gilt auch für die Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation.

Die dem Ausschaltvermögen förderliche Dynamik erweist sich bei hohen Einschaltströmen als nachteilig, denn es kann aufgrund der hohen Dynamik zum Prellen, also zu wiederholtem ungewünschten Öffnen und Schließen der Kontakte bei diesen Strombelastungen kommen.

Jedes dieser nicht kontrollierten Schaltspiele generiert Lichtbögen, welche die Kontaktoberflächen partiell aufschmelzen. Es kann zum Verkleben der Kontakte kommen. Abhilfe schafft ein Vorladekreis, der in bisherigen automobilen 12-Volt-Applikationen nicht erforderlich war. Bild 2 zeigt beispielhaft den Ausschnitt eines HV-Bordnetzes.



Bild 2: Haupt- und Vorladerelais im HV-Bordnetz

Die Herausforderungen an die Hauptrelais und das Vorladerelais lassen sich anhand der möglichen Betriebsereignisse erläutern. Zunächst schließt im Minuspfad der Batterie das Hauptrelais 2 lastlos. Danach schließt das Vorladerelais, und die Kapazitäten werden aufgeladen, eine Strombegrenzung erfolgt durch den Vorladewiderstand. Dieser Vorgang kann mehrere hundert Millisekunden dauern.

Das Hauptrelais 1 wird erst zugeschaltet, wenn die Spannung am Kondensator rund 90…95% der Nennspannung erreicht hat. Damit muss das Hauptrelais 1 nur einen geringen Strom bei geringer Spannungsdifferenz einschalten. Nun kann das Vorladerelais nahezu lastlos abgeschaltet werden. Voraussetzung einer erfolgreichen Vorladung ist die vollständige Abtrennung jeglicher Lasten vor dem Vorladevorgang. Diese könnten mit dem Ladewiderstand einen Spannungsteiler bilden und das Vorladen des Kondensators auf das gewünschte Spannungsniveau unmöglich machen. Als Folge würde das Hauptrelais durch die höheren Einschaltströme und Spannungen Schaden nehmen.

Im Normalbetrieb müssen beide Hauptrelais Ströme von bis zu mehreren 100 A führen. Vor dem Ausschalten im planmäßigen Betrieb wird ein Großteil der Lasten heruntergefahren, um die Belastung für das Hauptrelais 1 gering zu halten. Dieses wird beim außer Betrieb setzen zuerst geöffnet und trennt bei voller anliegender Spannung die jeweils durch die Lasten bestimmten Ströme. Jetzt erst öffnet das Hauptrelais 2 lastlos.

Beim Öffnen der Kontakte des Relais im Fehlerfall des HV-Bordnetzes führen die hohen anstehenden Spannungen und Ströme zu einem Lichtbogen mit hoher Energie, die ungleich zerstörerischer wirken kann als im klassischen 12-Volt-Bordnetz. Die Brenndauer des Lichtbogens wird bestimmt durch Leitungswiderstände, parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten. Diese Größen gewinnen deshalb im HV-Bordnetz an Bedeutung; im klassischen Bordnetz konnten sie oft vernachlässigt werden. Das Hauptrelais 1 muss in der Lage sein, im Fehlerfall erfolgreich eine Volllastabschaltung von mehreren Hundert Kilowatt Leistung durchzuführen.

Im Kurzschlussfall wäre das Hauptrelais in seiner für automobile Anwendungen erforderlichen Baugröße bei dem Versuch der Trennung der im Kurzschlussfall auftretenden Leistungen von bis zu 2 MW überfordert und würde zerstört werden. Deshalb müssen die im Strompfad liegende Sicherung und das Relais sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Es muss sichergestellt werden, dass die Sicherung die Leitung bei definierten Kurzschlussströmen im Bereich bis zu 6 kA trennt. Gleichzeitig ist konstruktiv abzusichern, dass die Relaiskontakte nicht infolge der Magnetfeldkraft als direkte Folge immenser Kurzschlussströme unkontrolliert öffnen.

Um die Zuverlässigkeit von Produkten in diesen neuen und anspruchsvollen Anwendungen und eine dauerhafte Kundenzufriedenheit sicher zu stellen, sind neben Applikationsleitfäden insbesondere die persönliche Anwendungsberatung unabdingbar.

Roman Dietrich, TYCO Electronics AMP GmbH

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