Bild 1: Für die galvanische Trennenung bei unterschiedlichen Ladeverfahren bietet Panasonic spezielle Leistungsrelais.

Bild 1: Für die galvanische Trennenung bei unterschiedlichen Ladeverfahren bietet Panasonic spezielle Leistungsrelais. Panasonic

Die Bundesregierung unterstützt den Marktanlauf elektrischer Fahrzeuge mit einem Förderprogramm von über 300 Millionen Euro für den Kauf, Unterhalt und Betrieb von Ladeinfrastruktur.

Das Ziel von einer Million Elektrofahrzeugen im Jahre 2020 wird seit dem 02.07.2016 mit subventionierten Fahrzeugen unterstützt. Käufer erhalten je nach Fahrzeugart für reine Elektrofahrzeuge (Battery Electric Vehicle, BEV) eine Kaufprämie von 4000 Euro, für Kombinationen aus Verbrennungsmotor und Elektroantrieb mit – und das ist wichtig – extern ladbarem Batteriespeicher (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) einen Zuschuss in Höhe von 3000 Euro. Zusätzlich wird auch noch die Kraftfahrzeugsteuer für zehn Jahre erlassen.

Eckdaten

Die Norm IEC 61851-1 schreibt für Ladestationen eine galvanisch trennende Schaltfunktion vor, wofür sich das Leistungsrelais HE-S von Panasonic eignet. Zwei Schließer schalten jeweils 35 A Dauerstrom und verkraften kurzzeitig 250-A-Stromspitzen. Der integrierte invertierende Hilfskontakt ermöglicht auch im Fehlerfall bei verschweißten Hauptkontakten eine sichere Diagnose.

Die Elektromobilitätsziele Deutschlands setzen eine flächendeckende Ladeinfrastruktur voraus. Bis 2020 sind wenigstens 7000 Schnellladepunkte mit Leistungen größer als 22 KW (AC- oder DC-Ladung) und 28.000 Normalladepunkte mit Leistungen kleiner als 22 KW (AC bis 32 A) geplant.

Kabelgebundenes Ladeverfahren

Die große Mehrheit an Ladestationen stellen aktuell die standardisierten konduktiven (kabelgebundene) Systeme dar. Die Norm IEC 61851-1 unterscheidet nach Lademodus 2, 3 und 4, je nach Installationsort und Betriebsart. Alle drei Modi schreiben eine elektrische Trennvorrichtung zwischen Energiequelle und Fahrzeug vor. Die Trennung erfolgt planmäßig durch Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug oder im AC-Fehlerfall durch Erkennung des Fehlerstroms, bei DC-Fehlern durch Auslösen einer Isolationsüberwachung. Die vorgeschriebene trennende Schaltfunktion kann vorteilhaft mit Leistungsrelais realisiert werden:

Elektrische Merkmale

  • Hohe Leistungsdichte durch hohes Schaltvermögen trotz kleiner Bauform
  • Beste Stromführungseigenschaften durch Kontaktwiderstände unter 3 mΩ
  • Effiziente Ansteuerung durch Spulenspannungsabsenkung (170 bis 300 mW)
  • Hohes Isolationsvermögen durch Luft- und Kriechstrecken größer 8 mm
  • Galvanische Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis
  • Spannungsfestigkeit bis 10 kV zwischen Steuer- und Lastkreis
  • Stromspitzen bis 250 A verursacht vom Fahrzeugfiltersystem werden toleriert, können aber mit Vorwiderständen gemäß ISO17409 begrenzt werden.

Mechanische Merkmale

  • Leiterplattendesign bis 90 A
  • Temperaturbereich -40 bis +85 °C
  • Schaltgeräusch kleiner 50 dB
Bild 2: Ein integrierter Hilfskontakt ermöglicht eine zuverlässige Diagnose zum Schaltzustand des HE-S-Relais, auch bei verschweißten Kontakten.

Bild 2: Ein integrierter Hilfskontakt ermöglicht eine zuverlässige Diagnose zum Schaltzustand des HE-S-Relais, auch bei verschweißten Kontakten. Panasonic

Das Zwei-Schließer-Relais HE-S mit Abmessungen von 36 × 30 × 40 mm3 schaltet pro Kontakt 35 A. Eine Neuheit ist der integrierte invertierende Hilfskontakt. Das Ankersystem betätigt neben den beiden Lastkontakten (Schließer-2 Form A) auch einen Signalkontakt (Öffner-1 Form B). Im Fehlerfall (bei verschweißten Hauptkontakten) behält der Signalkontakt eine Kontaktöffnung von mindestens 0,5 mm bei. Diese Funktion ist durch den VDE gemäß IEC 60947-4-1 für Spiegelkontakte zertifiziert. Der Entwickler enthält somit als Mehrwert eine Diagnosefunktion des Relaiszustandes ohne aufwendige Zusatzschaltungen.

Die HE-Relais (inklusive des Spitzenmodells HE-S mit Rückmeldekontakt) sind prädestiniert für den Einsatz in Ladestationen im öffentlichen und privaten Bereich bei sogenannten Wall-Boxen mit Ladeleistungen bis zu 22 kW beziehungsweise 43 kW gemäß IEC Spezifikation. Die Relais erfüllen die spezifizierten Daten auch bei langen Ladezeiten und Umgebungstemperaturen bis +85 °C.

Lademodus 2 – Im Kabel integrierte Schaltfunktionen

Für diesen Lademodus schreibt die Norm IEC 62752 für eine im Kabel integrierte Steuerbox vor, wie das  Schalten der Ladeleistung, die Fehlerstromschutzerkennung (Typ A oder B) und eine Pilot-Kommunikation zwischen Fahrzeug und Kontrollbox erfolgen müssen.

Das Ladekabel wird im Fahrzeug mitgeführt und kann an eine haushaltsübliche Schuko-Steckdose bis 16 A oder an eine CEE-Steckdose bis 32 A angeschlossen werden. Der Vorteil liegt auf der Hand: Die Ladung erfolgt an haushaltsüblichen Schnittstellen und es sind keine Investitionen für eine spezielle Ladetechnik nötig. Die maximal übertragbare Leistung ist allerdings nach IEC 62752 im Drei-Phasen-System mit 32 A auf 22 KW begrenzt.

Bei heutigen BEV-Systemen beträgt die durchschnittliche Batteriekapazität 30 kWh, wodurch innerhalb einer Stunde das Fahrzeug für eine Reichweite von 150 km geladen werden kann (optimistische Annahme: durchschnittlicher Verbrauch 15 kWh auf 100 km)

Lademodus 3 – Ladestation oder Wall-Box-System

Die Ladung an einer fest installierten Ladevorrichtung mit Wechselstrom ist für Ladeströme bis 63 A (dreiphasig) sowie 70 A (einphasig) ausgelegt. Damit werden Ladeleistungen bis zu 43 kW erzielt. Die Investitionskosten sind verglichen mit aufwendigen DC-Systemen relevant niedriger.

Der Lademodus 3 ist in der Norm IEC 61851-1 spezifiziert. Ihm kommt bei der Umsetzung der öffentlichen Ladestruktur aufgrund der günstigen Kosten-Nutzen-Relation große Bedeutung zu, denn er erlaubt bei typischen Batteriekapazitäten von 30 kWh  im mittleren Preisniveau eine – theoretisch – vollständige Ladung innerhalb einer Stunde.

Flaschenhals für die Ladezeit ist bei vielen Elektrofahrzeugen das verbaute Ladegerät, welches die Ladeleistung  häufig auf 7,4 kW begrenzt und somit eine Nachladedauer von mehreren Stunden bewirkt.

Lademodus 4 – DC-Schnellladen

Auf den ersten Blick bietet diese Lösung nach Norm IEC 61851-23 durch kurze Ladezeiten unter 30 Minuten (auch bei Batterien größer als 50 kWh) beträchtliche Vorteile. Das für die AC/DC-Konvertierung notwendige Ladegerät befindet sich in der Ladestation und nicht im Fahrzeug. Das bedeutet fahrzeugseitig reduzierte Gewichts- und Systemkosten und auch der Fahrzeugkunde spart unmittelbar Ladegerätkosten.

Ein Nachteil des Lademodus 4 ist die Notwendigkeit der Errichtung einer flächendeckenden, kostenintensiven DC-Ladeinfrastruktur. Allerdings reduziert die regelmäßige Schnellladung die Lebensdauer derzeitiger Batterien. Um diese Nachteile zu mildern, werden die Fahrzeuge zusätzlich mit einem AC-Ladegerät nach Modus 2 oder 3 ausgerüstet, was jedoch die eingangs genannten Vorteile relativiert.

Der Investitionsaufwand für DC-Ladestationen (Spannungen bis 800 V, mehrere hundert Ampere Strom, Kommunikation mit dem Batteriemanagementsystem) ist verglichen mit AC-Systemen deutlich höher. Es sind erheblich mehr und höherwertige Bauteile notwendig. Dies gilt ebenfalls für die Schaltelemente (Relais).

Bild 3: Für sämtliche Ladeverfahren bietet Panasonic unterschiedliche Leistungsrelais mit Schaltströmen von 32 A<sub>AC</sub> bis 300 A<sub>DC</sub>.

Bild 3: Für sämtliche Ladeverfahren bietet Panasonic unterschiedliche Leistungsrelais mit Schaltströmen von 32 A<sub>AC</sub> bis 300 A<sub>DC</sub>. AC bis 300 ADC. Panasonic

Anders als beim Wechselstrom fehlen beim Gleichstrom die Nulldurchgänge, weshalb der Schaltlichtbogen aufwendig und sicher gelöscht werden muss, zum Beispiel mithilfe von Magneten, Löschelektroden und Schutzgasen. Der Spezialist Panasonic bietet im Bereich Hauptbatterietrennung Battery Disconnect Units (BDU) in Form von EV- und EP-Relais in einem hermetisch dichten Gehäuse an, die DC-Spannungen bis 400 V und DC-Ströme bis 300 A schalten können. Sie ermöglichen hohe Schutzgrade sowie ein hohe Verfügbarkeit im Hochvoltumfeld.

Der Nationale Elektrische Code (NEC) der USA schreibt für geschlossene Bereiche wie Garagen mit Diesel- oder Benzinrückständen eine geschlossene Schaltkammer vor. Dies verhindert Gefahrensituationen des Schaltlichtbogens durch brennbare Gase.

Kabelgebundene Systeme haben verschiedene Nachteile wie das hohe Gewicht durch große Stecker und dicke Leitungsquerschnitte, die Handhabung bei schlechtem Wetter (Nässe, Kälte, Schnee) und die potentielle Stolpergefahr. Da erscheint die kabellose Energieübertragung mittels Induktion als Ideallösung. Doch ist das wirklich so?

Induktives Ladeverfahren

Die kontaktlose Energieübertragung arbeitet als zweigeteilter Transformator, angesteuert von Leistungselektronik im Frequenzbereich bis mehrere hundert Kilohertz. Die Übertragung erfolgt durch magnetische Kopplung zwischen stationärer Primärspule in der Bodenplatte und entsprechender Sekundärspule auf der Fahrzeugseite. Wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad haben das Kopplungsdesign und die Position des Fahrzeugs über der Ladestelle.

Das Trennrelais wird üblicherweise im vorgelagerten 50-Hz-AC-Stromkreis zur Schaltung der Energieversorgung genutzt. Für Ladeleistungen bis 22 kW kann das HES-Relais zum Einsatz kommen, Systeme mit höherer Leistung lassen sich mit dem HE-Y6-Relais realisieren.

Die hohen Betriebsfrequenzen der induktiven Energieübertragung (etwa 20 bis 360 kHz gemäß IEC 61980-3 und SAEJ1773) bewirken auf allen beteiligten elektrischen Leitungen den sogenannten Skin-Effekt. Dieser beschreibt eine Stromverdrängung und damit Verringerung der wirksamen Leitungsquerschnitte. Auch Relais, Leiterplattenanschlüsse und Kontakte sind davon betroffen. Der effektive Durchgangswiderstand erhöht sich, womit auch die Verlustwärme zunimmt.

Erste Messungen mit Kleinsignalen und Frequenzen bis 160 kHz haben einen Anstieg im Bereich Faktor 2 bis 3 gegenüber Durchgangswiderständen bei 50 Hz gezeigt. Beim Einsatz von Relais in diesem Frequenzbereich unterstützt Panasonic durch sein Applikationsteam.

Herausforderungen der induktiven Ladetechnologie

Insbesondere die Positionierung, also der Versatz und Abstand von Sender und Empfänger, ist kritisch und führt bei Abweichungen zu relevanter Minderung der Leistungsübertragung. Die hohen Frequenzen und gleichzeitig hohen Leistungen bewirken erhebliche elektromagnetische Emissionen. Störungen der Drahtloskommunikation zwischen Fahrzeug und Boden-Pad durch die parallel laufende Energieübertragung stellen auch eine Herausforderung dar. Mögliche Hemmnisse durch Fremdkörper und infolge dessen Ladeunterbrechungen sind abzusichern beziehungsweise auszuschließen.

Die Normierung zur induktiven Ladung hat noch keine verabschiedeten Standards hervorgebracht. Mehrere Arbeitsgruppen auf IEC- und UL-Ebene beschäftigen sich mit einer einheitlichen Festlegung. Diese Bestrebungen sind in den Entwürfen IEC 61980-1 & 3 und UL 2750 niedergelegt. Im amerikanischen Raum hat hierzu das SAEJ-Komitee bereits entsprechende Empfehlungen gesetzt, beispielsweise SAEJ 1773, 2954.

Um die augenscheinlichen Vorteile nutzen zu können, sind noch reichlich technische Herausforderungen zu meistern und allgemeingültige Standards festzulegen.

Die globalen Vorhaben zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes des Verkehrssektors sind Motor der Weiterentwicklung bestehender Systeme und Ladetechnologien. Damit erschließt die Ladung von Elektrofahrzeugen neue bedeutende Marktsegmente für elektrische und elektromechanische Bauteile und Anlagen.