Relais für sichere Solar- und Batteriesysteme sowie beim Laden von Elektrofahrzeugen

Die Nachfrage nach neuen Relais speziell im Bereich der erneuerbaren Energien ist die letzten Jahre sprunghaft gestiegen. Während zunächst der Solarmarkt die Nachfrage nach Starkstromrelais im Bereich von 20 bis 80 A angeheizt hat, kommt nun zunehmend Bedarf aus dem Bereich der Batteriespeichersysteme für erneuerbare Energien. Weitere sehr anspruchsvolle Schaltaufgaben ergeben sich beim Aufbau der Infrastruktur für die Elektromobilität. Das sichere Laden von Elektrofahrzeugen benötigt ein ganzes Arsenal von neuen Netztrennrelais im Leistungsbereich von 16 A / 250 V_AC bis 63 A / 380 V_AC und zusätzlich Gleichstromschütze für den sicheren Betrieb der Hochvoltbatterien bis 300 A / 1000 V_DC.

Dabei finden beide Branchen zunehmend zueinander: Man denke an eine Zukunft mit E-Autos als Pufferspeicher und einer generellen Netzarchitektur mit noch mehr dezentralen Erzeugern. Für das dazu nötige Smart Grid werden ebenfalls neue Relais entwickelt. Dabei verlangt der Markt der erneuerbaren Energien den Relais einiges ab. Vor allem einzelne Normen und Standards setzen die Messlatte sehr hoch und verhindern den Einsatz von Standardlösungen aus dem bisherigen Relaisportfolio. Im Detail erlauben die Anforderungen der einzelnen Branchen es aber, Synergien zu nutzen und Relais systemübergreifend einzusetzen.

Relais im Solarmarkt

Bedingt durch die gesunkene Einspeisevergütung – nahezu 60 % in vier Jahren – liegt ein enormer Kostendruck auf den Herstellern von Solarpanels und Solarwechselrichtern. Die Panelherstellung hat sich weitestgehend nach Fernost verabschiedet; nun kämpfen die Wechselrichterhersteller um ihre Marktstellung. Der Absatz der kleineren Einphasensysteme bis 5 kW ist deutlich gesunken und es drängen immer mehr dreiphasige Inverter auf den Markt. Damit steigt die typische Systemleistung auf 20 bis 80 kW und die Installationskosten pro Watt sinken deutlich. Diese dreiphasigen Inverter benötigen Relais mit einer Schaltleistung zwischen 30 und 80 A. Dabei steht nicht das Schalten der Lasten im Vordergrund, sondern das Führen der Ströme. Zudem soll die Verlustleistung möglichst gering sein.

Bild 1: Mit den Serien HE und ALFG liefert Panasonic passgenaue Relais für Solarwechselrichter.Panasonic Electric Works

Pro Phasenanschluss ans Stromnetz benötigt der Inverter zwei Relais, die in Reihe geschaltet den Wechselrichter im Fehlerfall sicher vom Netz trennen. Ein Drei-Phasen-Inverter benötigt dann acht Relais, wenn er den Nullleiter ebenfalls trennt. Der Standard fordert hier ein Relais mit mindesten 1,8 mm Kontaktabstand und 30.000 Schaltspielen bei Nennleistung. Panasonic bietet mit der ALFG- und der HE-Baureihe Relais an (Bild 1), die das gesamte Spektrum abdecken. Mit einer Kontaktöffnung von > 3 mm ist das HE-Leistungsrelais nach IEC62109-1 auf die Anforderungen von Solarwechselrichtern abgestimmt. Trotz der Leistungsmerkmale von 200.000 Schaltspielen bei 30 A / 250 V_AC, 30.000 Schaltspielen bei 48 A und einem maximalen Schaltstrom von 63 A sowie Luft- und Kriechstrecken von 8 mm betragen die Abmessungen des HE-Relais nur 33 × 38 × 36,3 mm³.

Das HE-Relais ist nach Herstellerangaben weltweit die Nummer eins für Wechselrichter im mittleren Leistungsbereich von 30 kW. In einer neuen Version sind in naher Zukunft auch 80 A möglich. Für kleinere Leistungen bis 7 kW eignet sich das ALFG-Relais mit den kompakten Abmessungen 30 × 15 × 23 mm³. Die Luft- und Kriechstrecken betragen 3,0 und 3,2 mm. Neben der hohen Lebensdauer von 30.000 Schaltspielen bei einer anspruchsvollen AC7a-Last von 250 V_AC / 33 A / cos φ = 0,8 / 85 °C beträgt die Halteleistung der Spule nur 280 mW.

Speicherlösungen

Die diesjährige Intersolar-Messe hat bestätigt, dass Energiespeicher als einer der thematischen Schwerpunkte in der Solarbranche gelten. Auf dem Markt bieten, neben der herkömmlichen Blei-Säure-Technik, Lithium-Ionen-Akkus einen guten Kompromiss aus Leistung, Energiedichte und Wirkungsgrad. Die einzelnen Speichereinheiten lassen sich leicht skalieren und werden in verschiedenen Systemen zusammen mit Solarwechselrichtern von 2 bis 50 kWh angeboten. Die hohe Energiedichte, vor allem bei Lithium-Ionen-Akkus, kann im Kurzschlussfall Ströme von mehreren tausend Ampere verursachen, die zu Explosionen oder Brandschäden führen. Es ist deshalb unbedingt notwendig, entsprechende Batterie-Management-Systeme (BMS) in die Applikation zu integrieren.

Bild 2: Die EP-Familie besteht aus Relais mit Trennleistung von 10 bis 300 A. Diese Serie fußt auf den EV-Modellen, die Panasonic für Elektrofahrzeuge entwickelt hat.Panasonic Electric Works

Das BMS ist zuständig für den aktiven Zellspannungsausgleich, die Strom- und Spannungsüberwachung sowie entsprechende Sicherheitsfunktionen. Um die bei Solaranlagen gegebenen Spannungen bis über 1000 V_DC im Störfall sicher trennen zu können, werden DC-Lastrelais als sogenannte DC-Lasttrennschalter verwendet. Diese müssen die auftretenden Leistungen beherrschen und die Normen über Luft- und Kriechstrecken erfüllen. Viele Erfahrungen stammen hier aus dem Bereich der Elektrofahrzeuge, die ebenfalls Hochvolt-Akkus erfolgreich einsetzen. So hat Panasonic seine EV-Serie entsprechend den Anforderungen für den Solarmarkt weiterentwickelt, um auch hier die entsprechenden Zulassungen zu erfüllen. Die EP-Serie mit einer Trennleistung von 10 bis 300 A bei 1000 V_DC ist in Bild 2 zu sehen.

Relais rund um das Elektrofahrzeug

Grundsätzlich kann man ein Elektrofahrzeug an jeder Haushaltssteckdose laden. Da jedoch auf beiden Seiten des Kabels Spannungen auftreten, die für Menschen gefährlich sind, ist die Sicherheit ein Muss beim Aufbau einer Ladeinfrastruktur. Haushaltssteckdosen eignen sich nicht 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 von Fahrzeug zu Ladestation möglich ist, die Ladesäule die Temperatur und die Spannung laufend überwacht und im Notfall das Fahrzeug vom Netz trennt.

Ein sehr komplexer Sachverhalt ergibt sich, wenn man die Strecke vom Hausanschluss mit 250 beziehungsweise 380 V_AC bis zur Hochvoltbatterie mit typischerweise 400 V_DC betrachtet. Je nach Ladebetriebsart benötigt man eine fest installierte Wallbox oder eine öffentlich zugängliche Ladestation, ein Ladekabel mit integrierter Ladekontrolleinheit (In-Cable Control Unit), einen On-Board-Charger (OBC), der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, und eine Battery-Disconnect-Unit (BDU), die im Fehlerfall die Hochvoltbatterie vom Rest des Fahrzeugs trennt. Wenn man dann noch Relais zur Isolationsüberwachung betrachtet, kommen bis zu 30 Schaltkontakte zusammen, um ein System vollständig abzusichern.

Insgesamt werden Anfang 2015 rund 50.000 elektrisch angetriebene Pkw in Europa zugelassen sein mit einer Steigerungsrate von ebenfalls 50.000 Fahrzeugen für 2015. Sie verfügen in der Regel über die gleiche Anzahl an AC-Ladeanschlüssen. Damit errechnet sich ein Relaisbedarf von ungefähr 1,5 Millionen Relais, die im nächsten Jahr in und um die Elektrofahrzeuge verbaut werden. Das wäre zu wenig, um Relais eigens für diesen Markt zu entwickeln, vor allem wenn man die normativen Anforderungen der Automobilindustrie bedenkt. Zum Vergleich: im selben Zeitraum werden in konventionellen Fahrzeugen im 12-V-Bordnetz rund eine Milliarde Relais verwendet.

Ladestationen

Eine Ladestation oder Wallbox prüft zunächst über das Ladekabel die Verbindung zum Fahrzeug. Die Station schaltet ihre Relais und beginnt mit dem Ladevorgang. In den meisten Ladestationen werden handelsübliche Schütze verwendet, die den Anforderungen der DIN EN61851-21 genügen. Da es sich um eine ortsfeste Installation handelt, sind keine Anforderungen nach Automobilstandards erforderlich. Da die Leistung überwiegend geführt wird, eignen sich Relais die für den Solarmarkt entwickelt wurden und daher deutlich weniger Ansteuerleistung verbrauchen. Hier haben sich die oben beschriebenen Relais aus der HE-Serie bewährt, die Ladeströme bis zu 63 A beherrschen.

Steht keine Ladestation zur Verfügung, kann der Fahrer seinen Pkw auch an einer Haushaltssteckdose laden. Hierfür gibt es spezielle Kabel mit integrierter Ladekontrolleinheit. Das sichere Abschalten erfolgt nun durch drei Relais, die in der Kabelkontrollbox die Leitungen trennen. Die Minimalanforderungen an diese Relais sind in der IEC 62752 festgelegt. Da der Fahrer das Ladekabel und somit die Relais im Pkw mitführt, gelten zusätzlich die Vorschriften der Automobilhersteller: Obwohl der Ladestrom üblicherweise 16 A nicht überschreitet, fordern sie ein Bemessungsschaltvermögen von 250 A / 250 V_AC für zehn Schaltspiele. Weiterhin sind die Anforderungen an Schock- und Vibrationsfestigkeit deutlich höher. Ein handelsübliches 16-A-Relais kann diese Anforderungen nicht erfüllen. Einen guten Kompromiss findet man wiederum bei den Relais aus dem Solarmarkt. Die Anforderungen mit 1,5 mm Kontaktabstand sind identisch. Das oben beschriebene ALFG-Relais kann hier eine Lücke schließen, auch wenn das ursprüngliche Design nicht für den Einsatz in Elektrofahrzeugen vorgesehen war.

Bild 3: Die Ladeeinheit im Elektrofahrzeug braucht an vielen Stellen spezielle Relais. Da der Markt für E-Fahrzeuge erst im Entstehen ist, empfiehlt Panasonic Relais aus der Solartechnik.Panasonic Electric Works

On-Board-Charger als Herausforderung

Die weitaus schwierigste Umgebung für Relais findet sich im On-Board-Charger mit einer typischen Leistung von 22 bis 44 kW. Dieser Charger ist das Bindeglied zwischen einer dreiphasigen Netzspannung und der Batterie. Exemplarisch ist in Bild 3 der Schaltkreis einer Ladeeinheit skizziert. Eingangsseitig ist eine Fehlerstromschutzeinrichtung integriert, die das Fahrzeug im Fehlerfall mit allen drei Phasen vom Stromnetz trennen kann (1). Diese Abschaltung wird üblicherweise mit Relais realisiert. In der Regel werden die Kontakte lastfrei geschalten, sobald die Spannungspegel zwischen Fahrzeug und Ladeeinheit angepasst sind. Daneben sind weitere Relais notwendig, um zwischen einphasigem und dreiphasigem Laden umzuschalten (2), (3). Weiterhin benötigt man einen Vorladekreis (4), um die Kondensatoren im Inverter vorzuladen und damit die Einschaltströme zu reduzieren. Auf der Ausgangsseite des Inverters, der DC-Seite, ist es notwendig die Batterie von der Ladeeinheit zu trennen. Hier kommen DC-Schütze zum Einsatz, die hohe Gleichspannungen abschalten können.

Während die Normung für Stecker und Ladekabel weitestgehend abgeschlossen ist, gibt es für die OBC noch keine einheitliche Spezifikation. Die Fahrzeughersteller vertrauen hier auf ihre internen Standards, die von den Lieferanten umgesetzt werden müssen. Die allgemeingültigen Normen zur Isolationskoordination (EN60664) gelten auch hier. Sie lassen sich am besten umsetzen, wenn man die bekannten Netzrelais verwendet, die auch in der Hausinstallation für die sichere Trennung sorgen. Neben dem besprochenen ALFG-Relais, das alle Schaltaufgaben bis 32 A ausführen kann, ist auch das wesentlich stärkere HE-Relais bei diversen Ladeeinheiten freigegeben. Dieses Relais kann zwar bis zu 60 A schalten, wird aber meist in dreiphasigen Systemen bis zu 32 A eingesetzt. Da die beiden Relais bereits seit Jahren in Solarinvertern erfolgreich ihre Schaltaufgaben erfüllen und auch vom inneren Aufbau ohne bewegliche Teile auskommen, steht einem Einsatz im Elektrofahrzeug nichts entgegen.

Ausblick

Nicht nur die technische Umsetzung ist mit vielen Hindernissen gespickt, auch der politische Gestaltungswille ist ein Hemmschuh. Ohne gezielte Förderung und Bereitstellung der nötigen Infrastruktur wird Deutschland die geplante Million Elektrofahrzeuge bis 2020 nicht erreichen. 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 Solarmarkt bieten derzeit eine günstige und bewährte Alternative.

(lei)