Der Verkauf von Elektrofahrzeugen kommt langsam in Fahrt. Das beste Beispiel hierfür ist das Tesla Modell 3, das im ersten Quartal 2019 den dritten Platz bei den meistverkauften Autos in Kalifornien erreichte. Insgesamt liegen Elektrofahrzeuge beim Marktanteil am Neuwagenkauf aber immer noch unter zwei Prozent. Ohne ein gut ausgebautes Netz an Ladestationen, die ein Fahrzeug innerhalb weniger Minuten – und nicht erst nach Stunden – aufladen können, scheint der endgültige Durchbruch der E-Autos unwahrscheinlich.

Bild 1: Industriesicherungen wie die Allzweck-AC/DC-Sicherung der LDC-Baureihe der UL-Klasse L bieten Überstromschutz für die AC-Eingangsseite eines DC-Ladegeräts.

Bild 1: Industriesicherungen wie die Allzweck-AC/DC-Sicherung der LDC-Baureihe der UL-Klasse L bieten Überstromschutz für die AC-Eingangsseite eines DC-Ladegeräts. Littelfuse

Immerhin wächst die Ladeinfrastruktur im Jahr 2018 mit mehr als 20.000 verkauften DC-Ladesystemen weltweit. Im Jahr 2026 sollen es bis zu 70.000 Systeme sein. DC-Ladesysteme ermöglichen ein wesentlich schnelleres Laden als AC-Ladesysteme, die aufgrund der Eigenschaften des im Fahrzeug installierten Ladegeräts von Natur aus leistungsmäßig begrenzt sind.

Aufladen in 30 Minuten oder weniger

DC-Schnellladesysteme sind so konzipiert, dass sie das fahrzeugseitige Ladesystem umgehen und direkt mit dem Batteriesystem verbunden sind. Sie können bis zu 400 kW Gleichstrom (typischerweise mit 400 bis 1000 V Spannung) bereitstellen und wandeln mit effizienten Leistungshalbleiter-Bauelementen dreiphasigen Wechselstrom aus dem Stromnetz in Gleichstrom um. Diese hohe Ausgangsleistung kann bei den meisten Fahrzeugen in 30 Minuten oder weniger vollständig entladene Batterien auf 80 Prozent ihrer vollen Kapazität aufladen. Weltweit arbeiten Entwickler von Ladesystemen daran, diese Ladezeit noch weiter zu verkürzen, sodass das Laden etwa so lange dauert wie das Befüllen des Benzin- oder Dieseltanks eines herkömmlichen Fahrzeugs.

Bild 2a: Die gängigsten Arten von Schnellsicherungen für DC-Ladestationen sind sowohl Rundkörper als auch.....

Bild 2a: Die gängigsten Arten von Schnellsicherungen für DC-Ladestationen sind sowohl Rundkörper… Littlefuse

Bild 2b: ...als auch Schnellsicherungen mit quadratischem Körper....

Bild 2b: …als auch Schnellsicherungen mit quadratischem Körper… Littelfuse

Bild 2c: .... sowie in zylindrischer Form oder als Klemmhülse.

Bild 2c: …sowie in zylindrischer Form oder als Klemmhülse. Littelfuse

Innerhalb der Ladestation durchläuft der Strom mehrere Umwandlungsstufen, die jeweils eine Art Stromkreisschutz erfordern: zur Erkennung von Überstrom, Überspannung und Erdschluss. Die Überstromschutzanforderungen für EV-Ladestationen, einschließlich Überlast und Kurzschluss, basieren in den USA auf den Anforderungen von NEC und UL. In den meisten anderen Teilen der Welt sind sie durch die Normenreihe IEC 61851 oder deren Ableitungen vorgegeben.

Selbst moderate Überströme können, wenn sie nicht rechtzeitig beseitigt werden, Systemkomponenten schnell überhitzen – und damit Isolationen, Leiter und Geräte beschädigen. Große Überströme können sogar Leiter schmelzen und die Isolation verdampfen. Sehr hohe Überströme erzeugen magnetische Kräfte, die in der Lage sind, Stromleitungen zu verbiegen und zu verdrehen. Unkontrollierte Überströme können Ladegeräte beschädigen. Dadurch ausgelöste Brände, giftige Dämpfe und Explosionen können im schlimmsten Fall Personen in der Nähe verletzen oder töten.

Eingangsseite der Ladestation

Industriesicherungen (Bild 1) sind die empfohlene Überstromschutzeinrichtung für die AC-Eingangsseite des Ladegeräts. Bei der Auswahl der richtigen Sicherungen für diese Anwendung sind verschiedene Bereiche zu berücksichtigen. Hierzu zählen der Nennstrom als Angabe für den Wechselstrom, den die Sicherung unter bestimmten Bedingungen kontinuierlich führen kann, und die Nennspannung, die die für den Betrieb der Sicherung ausgelegte maximale Wechselspannung angibt. Weitere Bereiche sind die Schaltleistung, also der höchste verfügbare symmetrische Effektivwertwechselstrom, den die Sicherung unter standardisierten Prüfbedingungen zuverlässig bei ihrer Nennspannung unterbrechen muss, sowie die Art der Schutz- und Sicherungseigenschaften. Die Zeit-Strom-Eigenschaften bestimmen, wie schnell eine Sicherung auf Überströme reagiert. Bezüglich der Strombegrenzung muss die Sicherung so konzipiert sein, dass sie einen Fehler in weniger als 180 elektrischen Grad beseitigt. Sicherungen mit Anzeigemerkmalen bieten zudem eine einfache Möglichkeit zur Erkennung, welche Sicherung im System geöffnet hat.

Ausgangsseite der Ladestation

Bild 3: Anordnung von Schnellsicherungen in Gleichrichtern.

Bild 3: Anordnung von Schnellsicherungen in Gleichrichtern Littelfuse

Auch die Ausgangsseite der Ladestation benötigt einen Überstromschutz. Hochgeschwindigkeitssicherungen (auch bekannt als Gleichrichtersicherungen und Halbleitersicherungen) bieten den notwendigen Schutz für empfindliche und teure Leistungshalbleiter-Bauelemente wie MOSFETs, Thyristoren und IGBTs, damit diese den harten Bedingungen standhalten. Die gängigsten Ausführungen sind Rundkörper, quadratische Körper und zylindrische Körper oder Klemmhülsen (Bild 2).

Hochgeschwindigkeitssicherungen bieten die Kurzschlusseigenschaften, die zum Schutz von Halbleitervorrichtungen erforderlich sind, einschließlich niedrigen Energiedurchlasses (l2t), niedriger Spitzenströme (lPEAK), niedriger Lichtbogenspannung und hoher Wärmeabfuhr. Sie enthalten ein oder mehrere stromempfindliche Elemente (zum Beispiel Silber), von denen jedes an einem oder mehreren Punkten einen reduzierten Querschnitt aufweist, der einen gemessenen Widerstand in jedem Element liefert. Der Widerstand jedes Elements und die Anzahl der in jeder Sicherung verwendeten Elemente bestimmen typischerweise den Nennstrom der Sicherung.

Schutz vor Überstrom

Eine typische Umrichterschaltung für dreiphasigen Strom besteht aus einem Eingangswandler (Gleichrichter), dem Filter und dem Gleichstromanschluss (DC-Sammelbus oder Zwischenkreis) sowie dem Ausgangswechselrichter.

Die Sicherungen in diesem Stromkreis dienen in erster Linie dazu, den Nennlaststrom und den zulässigen Überlaststrom kontinuierlich und ohne Unterbrechung weiterzuführen. Gleichzeitig sind die Sicherungen so gewählt, dass sie jeden Überstromfehler, der während einer Überlast oder eines Kurzschlusses entsteht, mit minimaler Durchlassenergie unterbrechen, um die im Stromkreis vernetzten Leistungshalbleiter-Bauelemente zu schützen.

Die Positionen von Schnellsicherungen in einer Gleichrichterschaltung hängen von der Nennleistung des Systems ab (Bild 3). Sie sind bei Niederspannung meist nur auf der Wechselstromleitungsseite in einer Einphasenanordnung zu finden, bei hoher Leistung sowohl auf der Wechselstromleitungsseite als auch einzeln in Reihe mit jeder Leistungshalbleitervorrichtung auf jedem Arm der Gleichrichterschaltung.

Hochgeschwindigkeitssicherungen kommen in Wechselrichterschaltungen zum Einsatz, um Kurzschlüsse zwischen den Leitungen zu verhindern. Diese können auf verschiedene Weise entstehen, wobei die Fehlzündung von Transistoren eine der Hauptursachen ist. Für Anwendungen mit geringer Leistung sind die Hochgeschwindigkeitssicherungen typischerweise nur auf dem DC-Bus installiert (jeweils eine für positiv und negativ). Für Wechselrichterschaltungen mit höherer Leistung können Sicherungen sowohl auf der DC-Bus-Seite als auch einzeln näher (in Reihe) an jedem Transistor installiert sein.

Schutz vor Überspannung

Bild 4: Itmov-Varistoren von Littelfuse verfügen über ein integriertes, thermisch aktiviertes Element, das bei Überhitzung öffnet.

Bild 4: Itmov-Varistoren von Littelfuse verfügen über ein integriertes, thermisch aktiviertes Element, das bei Überhitzung öffnet. Littelfuse

Da sich Ladestationen meist im Freien befinden, sind sie unbedingt vor Spannungsspitzen zu schützen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Elektrische Überspannungen sind das Ergebnis plötzlich freigesetzter Energie, die zuvor gespeichert war oder durch andere Ursachen wie schwere induktive Lasten oder Blitzeinschläge entstanden ist.

Die optimale Art der Transientenunterdrückung hängt von der vorgesehenen Anwendung ab. Bei der Auswahl sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, sie führt aber letztendlich zu einem Kompromiss zwischen den Kosten des Suppressors und dem erforderlichen Schutzniveau.

Beim Schutz empfindlicher Stromkreise ist die Zeitspanne, die ein Transientenunterdrücker benötigt, um zu funktionieren, äußerst wichtig. Wenn er langsam arbeitet und eine transiente Spitze im System schnell ansteigt, kann die Spannung ein schädliches Niveau erreichen, bevor die Entstörung einsetzt. In einem DC-Ladesystem ist ein Metalloxidvaristor (MOV) oder eine Hochleistungsdiode zur Unterdrückung von transienten Spannungen (TVS) in der Regel die optimale Vorrichtung. Andere Arten von Schutzeinrichtungen wie Gasentladungsröhren, Schutzthyristoren und mehrschichtige Varistoren (MLV) oder Kombinationen von Entstörvorrichtungen können ebenfalls zum Einsatz kommen.

Schutz vor Blitzschlag

Varistoren (Bild 4) sind spannungsabhängige, nichtlineare Bauelemente mit elektrischen Eigenschaften wie Back-to-back-Zenerdioden. Sie bestehen hauptsächlich aus Zinkoxid mit geringen Zusätzen anderer Metalloxide. Der MOV wird bei der Herstellung zu einem keramischen Halbleiter mit einer kristallinen Mikrostruktur gesintert. Daher kann er sehr hohe transiente Energien abführen. Entsprechend kommen MOVs typischerweise zur Unterdrückung von blitzinduzierten Transienten und anderen Hochenergietransienten zum Einsatz.

MLVs sind wie Standard-MOVs aus Zinkoxidmaterial hergestellt, aber mit integrierten Schichten von Metallelektroden versehen und in bleifreien Keramikgehäusen untergebracht. MLVs gehen von einer hohen Impedanz in einen leitenden Zustand über, wenn sie Spannungen ausgesetzt sind, die höher als ihre Nennspannung liegen – und leiten damit den überschüssigen Strom vom Stromkreis weg.

Schutz vor Erdschluss

Bild 5: Ein DC-Erdschlussrelais wie dieses Littelfuse SE-601 erfasst DC-Leckströme und zeigt den fehlerhaften Bus an.

Bild 5: Ein DC-Erdschlussrelais wie dieses Littelfuse SE-601 erfasst DC-Leckströme und zeigt den fehlerhaften Bus an. Littelfuse

Schließlich erfordern DC-Schnellladegeräte einen Schutz vor Erdschlüssen sowohl auf der Ein- als auch auf der Ausgangsseite. Ein Erdschluss ist ein unbeabsichtigter Kontakt zwischen einem stromführenden Leiter und der Erde oder dem Geräterahmen aufgrund eines Isolationsfehlers. Dieser Kontakt ist die Hauptursache für einen elektrischen Schlag. Der Rückweg des Fehlerstroms erfolgt über das Erdungssystem und alle Geräte oder Personen, die Teil dieses Systems sind. Im Freien befindliche Ladestation erfordern eine besondere Sorgfalt, um trotz staubiger und nasser Umgebung das Risiko von Erdschlüssen zu minimieren.

Ein Trenntransformator im Inneren des Ladegeräts trennt die Eingangswechselspannung von der Ausgangsgleichspannung, sodass die Ausgangsseite nicht geerdet ist. Stattdessen ist auf der Ausgangsseite ein Erdschlussmonitor (Bild 5) installiert, der einen Erdschluss erkennt und die Stromversorgung dann sofort abschaltet. Beim Erdschlussmonitor ist zwischen den beiden Bussen ein Erdschlussreferenz-Modul installiert, um einen Nullpunkt zu bestimmen. Das Erdschlussrelais verwendet diesen Punkt als Referenz zur Erkennung von tiefliegenden Erdschlüssen.

Es gibt viele Arten von Erdschlussschutzgeräten, die alle auf ähnliche Weise funktionieren, unabhängig von der Anwendung. Stromwandler (CTs) kommen in Verbindung mit der Erdschlussschutzeinrichtung zum Einsatz. Sie erfassen das Stromniveau. Wenn dieses außerhalb des Toleranzbereichs liegt, der in der Schutzvorrichtung eingestellt ist, löst das Gerät die Schutzfunktion aus, um Schäden am System zu vermeiden. Wenn das System widerstandsgeerdet ist, lässt sich ein Widerstandserdmonitor verwenden, um Probleme im Widerstand zu erkennen. Der Widerstandsmonitor überwacht kontinuierlich den Weg vom Systemneutralleiter zur Erde.