DC-Schütze für die bidirektionale Ladetechnik für E-Autos

Der Aufbau leistungsstarker Gesamtsysteme für größere Ladeparks, z.B. in öffentlichen oder nicht öffentlichen Parkhäusern oder auch Depots für elektrische Nutzfahrzeuge, wird derzeit durch staatliche Förderprogramme unterstützt. Unternehmen wie CuroCon vereinen hier DC- und AC-Ladepunkte in einem zentralen Ladesystem auf Schaltschrankbasis.

Die integrierte, industrielle und frei programmierbare Steuerung ist für ein normkonformes Laden von Elektrofahrzeugen ausgelegt. Dadurch ist der gesamte Ladepark individuell gestaltbar und skalierbar – AC- und DC-Ladepunkte lassen sich beliebig kombinieren. Der AC-Ladepunkt besteht aus nur einer Klemmstelle für das Ladekabel, im DC-Ladepunkt ist an der Klemmstelle ein Kommunikations-Gateway eingebaut. Alle weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten befinden sich in der zentralen Schaltanlage, die auch aus mehreren Teilanlagen bestehen kann.

Eine der wichtigen Aspekte gerade bei größeren Ladeinfrastrukturen ist die Frage nach einer stabilen Energieversorgung. Planer von Ladeparks müssen deswegen die Herausforderung meistern, mit einem eingeschränkten Netzanschluss die beste Ladeleistung für jeden Ladepunkt zu erzielen. Voraussetzung dafür ist ein funktionales Lastmanagement. CuroCon hat dafür auf Basis einer frei programmierbaren Steuerung ein intelligentes, bedarfsorientiertes und dynamisches Lastmanagement integriert. Eine Vielzahl von vorhandenen Standardschnittstellen ermöglicht die Kommunikation mit einem kundeneigenen Ladepark-Management-System. Das universelle Protokoll OCPP (Open Charge Point Protocol) ist integrierbar und kann für die Freischaltung und Abrechnung der Ladepunkte genutzt werden. Die Wartung der Bauteile erfolgt am zentralen Schaltschrank – über Ferndiagnose und Remote-Support ist eine schnelle Diagnose und Online-Updates möglich.

E-Auto als Energiespeicher

Für das Problem der Energieversorgung der Ladeinfrastruktur bei eingeschränktem Netzanschluss gibt es eine elegante Lösung. Elektroautos können ihre Standzeiten sinnvoll nutzen: Vier bis sechs Stunden reichen aus, um die Akkus eines Elektroautos bei niedriger Ladeleistung aufzuladen. An Schnellladesäulen genügen eher 30 bis 60 Minuten. In der restlichen Zeit können die Batterien als Pufferspeicher zum Einsatz kommen. Sie können den Strom wieder abgeben und damit als flexible Energiespeicher dienen, etwa bei Schwankungen im Angebot an Strom aus regenerativen Quellen. Bei dieser anspruchsvollen Lösung „Vehicle to grid“ geht es darum, möglichst viele Elektroautos zum Teil des Stromnetzes zu machen. Voraussetzung für die weite Verbreitung dieser Technologie ist die Möglichkeit, an der Ladesäule die Batterien sowohl zu laden als auch zu entladen – es ist also eine Bidirektionalität notwendig.

Elektromechanische Schütze

Das Schalten der Ströme an den Ladepunkten erfolgt mit elektromechanischen Schützen. Die Schütze müssen die hohen Ströme während des Ladevorgangs sicher schalten können, auch wenn der Strom von der Batterie zurück ins Netz fließt. Um eine bidirektionale Ladung der Elektroautos sicher realisieren zu können, setzt CuroCon in seiner Ladeinfrastruktur DC-Schütze von Schaltbau ein. Aufgrund der vollen Bidirektionalität schalten die Schütze im Notfall sehr hohe Lasten zuverlässig ab. Mit der integrierten Spiegelkontaktfunktion zur Schaltzustandsüberwachung bieten sie einen hohen Sicherheitsstandard für das Gesamtsystem. Aus ökonomischer Sicht werden durch die geringen Übergangswiderstände unerwünschte Ladeverluste deutlich reduziert.

Schaltbau hat für diese Anforderungen verschiedene DC-Schütze entwickelt. Die Luftschütze – beispielsweise vom Typ C310 oder C320 – haben geringe Abmessungen und lassen sich entsprechend gut in Anwendungen integrieren. Bei Schützen dieser Bauart wird der Lichtbogen in der sogenannten Löschkammer gelöscht. Ein Lichtbogen entsteht während des Schaltvorgangs, wenn durch hohe Ströme und Spannungen die Ionisationsschwelle der Luft überschritten wird.

Da die Lichtbögen die Kontaktflächen stark abnutzen, ist eine schnelle Löschung des Bogens unverzichtbar. Zum Löschen des Lichtbogens kommt eine Kombination verschiedener physikalischer Prinzipien zum Einsatz: Ein Magnetfeld lenkt den Lichtbogen aus der Kontaktzone heraus und verlängert ihn so. Dabei wird er in die Löschkammer gedrückt, wo er zwischen Isolierplatten eingeengt, an den Kammerwänden gekühlt wird und schließlich abreißt.

Eine weitere Herausforderung für den Schützbau ist die Korrosion der Kontaktflächen. Werden Schütze im Normalbetrieb nicht geschaltet, entsteht kein Lichtbogen, der die Kontaktflächen von der sich mit der Zeit ansetzenden Oxidschicht reinigt. Die Schütze von Schaltbau lösen dieses Problem durch eine spezielle Kontaktgeometrie, zusammen mit hohen Kräften und schwimmend gelagerten Kontaktbrücken. Oxidschichten werden damit mechanisch entfernt. Im Betrieb bieten die Schütze eine geringe Halteleistung, die durch die sehr hohen Kontaktdruckkräfte und den damit verbundenen geringen Übergangswiderständen über die Hauptkontakte ermöglicht wird.

Fazit

Schütze sind aufgrund ihrer Eigenschaft, Stromkreise galvanisch trennen zu können, im Gegensatz zu Halbleitern wichtig in sehr vielen Anwendungen. Während Halbleiter im normalen Betrieb arbeiten, übernehmen Schütze die Rolle als Notabschaltung, wenn die Leistungselektronik versagen sollte. Eine der typischen Anwendungen, die hohe Anforderung an die verwendete Schütztechnik stellt, ist die Elektromobilität und hier besonders die Ladetechnik, bei der Schütze bidirektional schalten müssen. (na)