Hochvolt-Gleichstromkreise in Elektrofahrzeugen absichern

Gängige Elektrofahrzeuge fordern zunehmend stärkere Sicherungen etwa in Form von einem Schmelzleiter, da die Leistungsdichte der Batterien steigt. Deshalb müssen zusätzliche, leistungsfähigere Sicherungen die Stromkreise vor Überströmen und Kurzschlüssen schützen. Diese müssen das System nicht nur verlässlich gegen hohe Ströme absichern, sondern auch bei immer höheren Systemspannungen sicher funktionieren. Ein Versagen der Schutzeinrichtungen kann Verletzungen an den Bedienern und schwerwiegende Schäden an der Technik nach sich ziehen.

Bild 1: DC-Stromkreis mit Sicherungen und Verbrauchern Adler Elektrotechnik

Die in voll- und hybridelektrischen Fahrzeugen anzutreffenden DC- oder Gleichstromkreise mit Spannungen zwischen 60 V und 1,5 kV werden als Hochvoltsysteme (HV) bezeichnet. Für die Absicherung von Gleichstromkreisen in EV-Bordnetzen gegen Überlast und Kurzschluss ergeben sich spezielle Anforderungen.

HV-Systeme mit einem Schmelzleiter

Bild 2: Power Distribution Unit (PDU) eines Elektrofahrzeugs mit HV-Sicherungen (grün) Adler Elektrotechnik

Im Gegensatz zu Wechselstrom gibt es in Gleichstromkreisen keinen Nulldurchgang, welcher der Entstehung von Lichtbögen entgegenwirkt. Daher müssen Entwickler in den entsprechenden Schalteinrichtungen konstruktive Maßnahmen umsetzen, damit diese Lichtbögen effektiv unterbinden. Um hinreichend schnelle Abschaltgeschwindigkeiten zu realisieren, kommen bei solchen Anwendungen deshalb in der Regel Schmelzsicherungen zum Einsatz.

Schmelzsicherungen für Elektrofahrzeuge bestehen aus einem Schmelzleiter, der zwei elektrische Kontakte verbindet und von einem isolierenden Gehäuse umgeben ist. Im Einsatz erfolgt die galvanische Trennung der elektrischen Kontakte so, dass das Abschmelzen des Schmelzleiters den Stromkreis unterbricht. Für die Auslösecharakteristik der jeweiligen Sicherung sind Materialauswahl und Geometrie der Schmelzleiter bestimmend. Schmelzleiter bestehen üblicherweise aus Feinsilber oder einer Kupfer-Silberlegierung.

Bild 3: Schmelzleiter und Kontakte einer Hochvolt EV-Sicherung Adler Elektrotechnik

Ein solcher Schmelzleiter erwärmt sich durch den ihn durchfließenden Strom. Sollte der Nennstrom der Sicherung für eine bestimmte Zeit deutlich überschritten werden, so schmilzt der Schmelzleiter. Nach dem Abschmelzen des Schmelzleitermetalls entsteht im gasförmigen Zustand des Schmelzleiters ein Plasma und es bildet sich ein Lichtbogen, dessen Intensität maßgeblich von Stromstärke und Spannung des abzuschaltenden Stroms abhängt. Bei einem Kurzschluss kann dieser Strom mehrere Größenordnungen über dem Nennstrom der Sicherung liegen.

Zum Ablöschen des Lichtbogens ist der Schmelzleiter von verdichtetem hochreinem Quarzsand umgeben, welcher im Einflussbereich des Lichtbogens schmilzt und sich zusammen mit dem Schmelzleitermetall zu einem nichtleitenden Sinterkörper verbindet. Nach dem Löschen des Lichtbogens ist der zu schützende Stromkreis getrennt. Die Sandfüllung dämpft außerdem den Gasdruck des explosionsartig verdampfenden Schmelzleiters. Reinheit, Körnung und Packungsdichte des verwendeten Quarzsandes sind ausschlaggebend für eine korrekte Lichtbogenlöschung. Geringe anorganische Verunreinigungen können zu einer Verglasung des Sandes führen. Dies ist absolut unerwünscht, da Glas im geschmolzenen Zustand elektrisch leitfähig ist.

Sicher abschalten

Im Kurzschlussfall muss die Sicherung den zu erwartenden maximalen Strom sicher abschalten. Dabei muss sie in ihrer äußeren Form intakt bleiben.Die Auslösezeit einer Sicherung ist von der Charakteristik abhängig, ebenso wie vom Strom als Faktor des Nennstroms. Der Nennstrom einer Sicherung ist keine harte Grenze, bei der eine Sicherung bei minimaler Überschreitung auslöst. Bild 4 zeigt eine typische Zeit-Strom-Kennlinie einer Hochvolt-Gleichstromsicherung.

Hochvolt-Überstromsicherungen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind relativ neue Produkte. Sie vereinen Eigenschaften von Niederspannungssicherungen und automobilen Sicherungen. Die besonderen Umgebungsbedingungen beim mobilen Einsatz in Fahrzeugen müssen Hersteller bei der Bauteilkonstruktion und -auslegung berücksichtigen.

Bild 4: Zeit-Strom-Kennlinie AE2 Adler Elektrotechnik

Mechanische Belastungen durch Stöße und Vibrationen dürfen die Funktionssicherheit und Lebensdauer genauso wenig beeinflussen wie elektrische Lastwechsel oder extreme Umgebungstemperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit. Deswegen unterscheiden sie sich in Aufbau und Materialauswahl deutlich von solchen Sicherungen, die nur für einen stationären Einsatz vorgesehen sind.

Standards für Hochvoltsicherungen

Bisher gab es noch keine einheitlichen Standards oder Vorschriften zur Zertifizierung derartiger Hochvoltsicherungen, welche bei Systemspannungen bis 1.000 Volt Ströme mit bis zu 700 Ampere leiten und bei Überlast zuverlässig trennen. Der TÜV Rheinland erstellte deshalb ein entsprechendes Zertifizierungsprogramm für Schmelzsicherungen in HV-Systemen von Elektrofahrzeugen auf Basis der Normen ISO 8820-1, ISO 8820-8 und ISO 16750-3. Mit Sicherungen der Serie AE2 von Adler Elektrotechnik zertifizierte der TÜV Rheinland erstmals eine Hochvoltsicherung zum Einsatz in Fahrzeugen. Mit einer Nennspannung von 500 V und Nennströmen bis zu 50 A ist diese Sicherung zum Schutz von Nebenstromkreisen vorgesehen.

Bild 5: DC-Sicherungen für Elektrofahrzeuge bis 1.000 V und 700 A Adler Elektrotechnik

Die Zertifizierung ist das Ergebnis von Zusammenarbeit und Innovation zwischen Adler und dem TÜV Rheinland. Zukünftige Kooperationen von Industrie und Zertifizierungsorganisationen sind die Grundlage für harmonisierte Produkte, wovon viele insbesondere im Bereich der Elektromobilität noch am Anfang ihrer Entwicklung stehen.

(prm)