Beim Laden von HV-Batterien in Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen sind überlebenswichtige Schutzmaßnahmen erforderlich

Beim Laden von HV-Batterien in Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen sind überlebenswichtige Schutzmaßnahmen erforderlichPanasonic Electric Works

Das Hochvolt-Bordnetz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen arbeitet mit Gleichspannungen zwischen 400 V und 800 V, die für Menschen lebensgefährlich sind. Um die nötige Sicherheit zu gewährleisten, sind der Hochvoltteil (HV) und das 12-V-Bordnetz (LV) vollständig voneinander isoliert. Eine wesentliche Herausforderung ist das rechtzeitige Erkennen von Isolationsfehlern zwischen den unterschiedlichen Potenzialen und – falls erforderlich – die Abschaltung der betroffenen Stromkreise. Der Mindestisolationswiderstand des Bordnetzes muss über die gesamte Lebensdauer und unter allen Betriebszuständen gewährleisten sein. Spezielle DC-Schütze oder AC-Relais übernehmen die sichere Trennung und bilden im Zusammenspiel mit einer Sicherung den nötigen Schutz vor einem elektrischen Stromschlag. Während DC-Schütze schon länger für Automotive-Anwendungen zertifiziert und erhältlich sind, gibt es am Markt keine geeigneten AC-Relais. Daher greifen die Entwickler auf Standardbauteile zurück, welche den geforderten Ansprüchen jedoch nur bedingt genügen.

Eck-Daten

Relais ermöglichen eine galvanische Trennung zwischen Hochvolt- und Niedervolt-Teil des Bordnetzes sowie zwischen Fahrzeug und Ladestation. Während DC-Schütze schon länger für Automotive-Anwendungen zertifiziert und erhältlich sind, gibt es am Markt keine geeigneten AC-Relais. Die Relaishersteller könnten jederzeit mit der Entwicklung automotive-tauglicher AC-Relais beginnen, wenn Zulieferer und OEMs entsprechende Weichen stellten…

Die Batteriespannung eines PHEV (Plug in Hybrid Electric Vehicle) beträgt mehrere hundert Volt, was beträchtliche Sicherheitsanforderungen an das Bordnetz zur Folge hat, denn Spannungen über 60 V sind für den Menschen gefährlich. Zudem hängt das Fahrzeug beim Laden am Stromnetz eines Energieversorgers, woraus ein gekoppeltes System von Gleich- und Wechselspannungen unterschiedlicher Spannungsebenen entsteht. Diese müssen galvanisch voneinander getrennt sein und unabhängig sowie gleichzeitig arbeiten können.

Zur weiteren Entwicklung der elektrischen Antriebe ergeben sich aus den vielseitigen technischen Umsetzungen auch erhöhte Anforderungen an die elektrischen Komponenten, die in einem Elektrofahrzeug zum Einsatz kommen. Nachteilig ist hierbei, dass zur Zeit die elektrischen Architekturen und deren physikalische Realisierung individuell auf den jeweiligen Fahrzeugtyp zugeschnitten sind. Eine Kostenoptimierung durch eine mögliche Vereinheitlichung wird noch einige Zeit in Anspruch nehmen. Besondere Auswirkungen hat dieser Aspekt auf das Laden der Batterie. Um sämtlichen Anforderungen gerecht zu werden, haben die Entwickler ein sehr komplexes System von Lademöglichkeiten kombiniert.

Bild 1: Mit steigendem Leergewicht ermöglicht nur noch eine Hybridisierung das Erreichen der geforderten CO2-Grenzwerte.

Bild 1: Mit steigendem Leergewicht ermöglicht nur noch eine Hybridisierung das Erreichen der geforderten CO2-Grenzwerte.Panasonic Electric Works

Laden von Elektrofahrzeugen

Die effizienteste Methode, die Batterie eines Elektrofahrzeugs aufzuladen, ist die DC-Schnellladung, bei der eine direkte Verbindung zwischen der Ladestation und der Fahrzeugbatterie besteht. Ein fahrzeugseitiges Ladegerät ist bei diesem Verfahren nicht notwendig. Beim DC-Laden müssen sich Ladestation und Fahrzeug per Datenkommunikation über die Ladeparameter verständigen. Weil eine flächendeckende Versorgung mit reinen DC-Ladestationen unrealistisch ist, setzen die europäischen Fahrzeughersteller auf die Ladeschnittstelle Combo Typ 2, die sowohl das Laden mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom erlaubt. Das AC-Ladeverfahren benötigt allerdings einen On-Board-Charger im Fahrzeug.

Bild 2: Der elektrische Aufbau von der Ladestation bis zur Fahrzeugbatterie umfasst auch die vorgeschriebenen Schutzeinrichtungen.

Bild 2: Der elektrische Aufbau von der Ladestation bis zur Fahrzeugbatterie umfasst auch die vorgeschriebenen Schutzeinrichtungen.Panasonic Electric Works

Eine wesentliche Rolle in diesem Zusammenhang spielen auch die elektromechanischen Komponenten, die für die nötige Sicherheit beim Lade- und beim Fahrbetrieb sorgen. Bild 2 zeigt schematisch den elektrischen Aufbau von der Ladestation bis zur Fahrzeugbatterie und die vorgeschriebenen Schutzeinrichtungen. Entsprechende Anforderungen definiert die Norm DIN EN 61851-1 (VDE 0122-1). Als wichtiges Element befindet sich die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (Residual Current Device, RCD) entweder in der Ladestation oder – wenn nicht in der Hausinstallation vorhanden – im Ladekabel beziehungsweise im Fahrzeug. Wenn das System einen Fehlerstrom detektiert, muss die Steuerung in der Lage sein, den Ladevorgang abzubrechen. Hier kommen Netztrennrelais oder DC-Schütze zum Einsatz, um die entsprechenden Stromkreise zu unterbrechen. Neben der Stromfehlererkennung müssen im Fahrzeug aber auch Isolationsfehler erkannt werden. Eine als IMD (Isolation Monitoring Device) bezeichnete Einheit misst hierzu in kurzen Abständen die Spannung zwischen HV und LV. Das Blockschaltbild (Bild 2) zeigt nur den einfachen Fall eines einphasigen Systems. Allein hier sind bereits 16 Relais notwendig, um die verschiedenen Lademodi abzusichern.

Bild 3: DC-Schütze mit konstruktiven HV-Sicherheitsmaßnahmen finden Einsatz in HV-Batterien.

Bild 3: DC-Schütze mit konstruktiven HV-Sicherheitsmaßnahmen finden Einsatz in HV-Batterien.Panasonic Electric Works

DC-Schnellladung

Im Gleichstromladekreis sind HV-Schütze verbaut. Sowohl in der Ladestation als auch im Fahrzeug sind Schütze erforderlich, die üblicherweise eine Gleichspannung von 800 V bei einem Strom von 200 A trennen können. Zusätzlich ermöglicht eine BDU (Battery Disconnect Unit) die Trennung beider Pole vom Fahrzeug, um so bei einem Kurzschluss eine Explosion der Batterie zu vermeiden. Die entsprechenden Kontakte schließen nur beim Ladevorgang oder im Fahrbetrieb. Durch die große Nachfrage an Hybridfahrzeugen in Asien und den USA ist nach 15 Jahren Entwicklung von automobiltauglichen HV-Komponenten eine Vielzahl von DC-Schützen am Markt verfügbar. Panasonic ist hier Marktführer und hat bereits mehrere Millionen EV-Relais in Fahrzeugen im Einsatz.

AC-Ladeeinheit (On-Board-Charger)

Um die Batterie des Elektroautos am Stromnetz aufzuladen, wird eine Ladeeinheit benötigt, die den Wechselstrom gleichrichtet. Das Laden über das Stromnetz erfordert eine flexible Struktur, um die unterschiedlichen Spannungen und Stromstärken in verschiedenen Ländern zu bewältigen. Da eine kurze Ladezeit für die meisten Autofahrer sehr wichtig ist, muss das bordeigene Ladegerät einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Ein langfristiger Trend geht zu bidirektionalen Funktionen des Ladegeräts, welches nicht nur Energie aus dem Netz entnimmt sondern auch wieder zurückspeisen kann. Eingangsseitig ist eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung im Fahrzeug integriert, die im Fehlerfall Phase, Nullleiter und Schutzleiter vom Stromnetz trennen kann.

Während die Normung für Stecker und Ladekabel weitestgehend abgeschlossen ist, besteht für die On-Board-Charger noch keine einheitliche Spezifikation. Die Fahrzeughersteller vertrauen hier auf ihre internen Standards, welche ihre Lieferanten umsetzen müssen. Die allgemeingültigen Normen zur Isolationskoordination sind natürlich einzuhalten, was durch Verwendung von Netztrennrelais erreicht wird, die auch in der Hausinstallation für die sichere Trennung sorgen. Sie erfüllen die Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken sowie an die Spannungsfestigkeit. Obwohl eine länderübergreifende Harmonisierung der Ladeschnittstellen noch aussteht, hat Panasonic verschiedene Netztrennrelais für die On-Board-Ladeeinheit erfolgreich im Einsatz. Neben dem Relais vom Typ ALFG, das alle Schaltaufgaben bis 32 A ausführen kann, ist auch das wesentlich stärkere Relais vom Typ HE (Bild 4) bei diversen Ladeeinheiten freigegeben. Dieses Relais kann zwar bis 60 A schalten, wird aber meist in dreiphasigen Systemen bis zu 32 A eingesetzt. Beide Industrierelais erfüllen derzeit nicht die notwendigen Automobilstandards und werden nicht nach TS-Richtlinien gefertigt.

Bild 4: Netztrenn-Relais mit sehr hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit kommen als Schutzschalter in Ladestromkreisen zum Einsatz.

Bild 4: Netztrenn-Relais mit sehr hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit kommen als Schutzschalter in Ladestromkreisen zum Einsatz.Panasonic Electric Works

Netztrennrelais im Ladekabel

Grundsätzlich kann ein Elektrofahrzeug an jeder Haushaltssteckdose geladen werden. Haushaltssteckdosen sind allerdings nicht geeignet, um höhere Leistungen über einen längeren Zeitraum abzugeben. Daher bedarf es spezieller Verbindungslösungen, die den Ladevorgang effizient und intelligent steuern. Dies gelingt nur, wenn eine Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation möglich ist, Temperatur und Spannung laufend überwacht werden und im Notfall das Fahrzeug vom Netz getrennt wird. Das Abschalten im Fehlerfall erledigen Relais, die sich beim Lademodus 2 im ICCPD (In Cable Control and Protective Device) direkt im Kabel befinden. Die allgemeinen Anforderungen sind in der Norm IEC 61851-1 beschrieben; ergänzend dazu dient die IEC 62752, welche die technischen Spezifikationen der ICCPD genauer beschreibt. Leider muss der Entwickler auch hier auf Industrierelais zurückgreifen. Am besten eignet sich in diesem Fall ein Relais vom Typ LFG, das die Isolationskoordinaten der Norm erfüllt.

Isolationsmessung 

Mithilfe einer mehrfach redundanten Isolationsmessung wird ständig überprüft, ob fälschlicherweise eine leitende Verbindung zwischen Batteriepol und der Fahrzeugkarosserie (Massepotenzial des LV-Systems) besteht. Im Fehlerfall muss die komplette Spannungsversorgung umgehend deaktiviert werden, um die Fahrgäste vor einem gefährlichen Stromschlag zu schützen.

Bild 5: PhotoMOS-Relais arbeiten bereits bei einem Betriebsstrom von nur wenigen Milliampere zuverlässig.

Bild 5: PhotoMOS-Relais arbeiten bereits bei einem Betriebsstrom von nur wenigen Milliampere zuverlässig.Panasonic Electric Works

In der ersten Generation von Elektrofahrzeugen kamen zur Isolationsmessung meist Signalrelais zum Einsatz. Dabei gilt es, Spannungen bis zu 800 V bei einigen Milliampere zu schalten. In vielen Fällen erfolgt diese Messung mehrmals pro Sekunde, wobei ein mechanischer Relaiskontakt hier an seine Leistungsgrenzen kommt. Darüber hinaus sind Signalrelais nur bedingt geeignet, um die strengen Anforderungen der Automobilhersteller zu erfüllen. Panasonic bietet mit seinen Hochvolt-PhotoMOS-Relais eine echte Alternative (Bild 5). PhotoMOS-Relais sind eine spezielle Art von Halbleiterrelais, die ausgangsseitig MOSFETs und eingangsseitig eine GaAs-Leuchtdiode nutzen. Hierbei handelt es sich um ein stromabhängiges Bauteil, das bereits bei einem Betriebsstrom von nur wenigen Milliampere verlässlich arbeitet. Ein optisch gekoppeltes Fotoelement, das durch einen semitransparenten Isolator aus Epoxidharz vom Eingangskreis getrennt ist, wandelt das von der LED emittierte infrarote Licht in elektrische Spannung um. Durch diese Art der elektrisch nicht leitenden Verbindung ist eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangskreis gewährleistet. Die so erzeugte Fotospannung versorgt eine Steuereinheit, die wiederum die Gates zweier bidirektional und antiseriell verschalteter DMOSFETs ansteuert. Diese Leistungstransistoren befinden sich direkt im Ausgangskreis des Bauteils. Die integrierte Steuereinheit reagiert ab einem bestimmten Schwellwert der Fotospannung und schaltet den Ausgang.

Um die im Automobilbereich geforderte sichere Trennung zwischen HV- und LV-Stromkreisen zu gewährleisten, besitzen viele PhotoMOS-Typen eine Isolationsspannungsfestigkeit von 5 kVeff zwischen Ein- und Ausgang. Durch die integrierten modernen Leistungs-MOSFETs am Ausgang können die PhotoMOS-Relais für Schaltspannungen von bis zu 1,5 kV zum Einsatz kommen. Die Serie AQV258H eignet sich besonders für diesen Fall.

Ausblick

Eine wesentliche Herausforderung bei der Ladetechnik von HV-Batterien an Stromnetzen besteht in der Adaptierung von Netztrennrelais aus dem Industriebereich in den Elektrofahrzeugbereich. Hierbei müssen OEM, Tier-1 und Relaishersteller Hand in Hand arbeiten. Das ist von großer Bedeutung, denn zwischen einem Industrieprodukt und einem Automotive-Produkt gibt es entscheidende Unterschiede in der Technologie, in der Implementierung, in den Architekturen und im Support. Darüber hinaus bestehen auch bei der Langzeitverfügbarkeit, bei den Änderungsanzeigen und bei der Abarbeitung in Problemfällen große Unterschiede. Wenn ein Standardbauteil im Fahrzeug zum Einsatz kommt, sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um Ausfälle zu vermeiden. Das Bewusstsein muss hier geschärft werden. In der Zwischenzeit gilt es, Kompromisse zu finden, bis eine Marktgröße erreicht ist, die eine Entwicklung von AC-Relais für den Automotive-Einsatz für einen Relaishersteller interessant macht. Relais aus dem Industriesektor bieten derzeit eine günstige und bewährte Alternative.