Fehlerströme überwachen in der Wallbox und im E-Fahrzeug

Der Markt für AC-Wallboxen und -Kabel verzeichnet beträchtliches Wachstum, angetrieben durch die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen (Electrical Vehicles, EVs) weltweit. Klar definierte Spezifikationen und strenge Standards sorgen für die Sicherheit und Effizienz des AC-Ladens bei EVs, neue Herausforderungen ergeben sich jedoch im Fahrzeug selbst.

Was sind die neuen Herausforderungen beim AC-Laden?

Erstens ist das transformatorlose On-Board-Ladegerät (OBC) der nächste große Trend beim AC-Laden. Fahrzeughersteller müssen das Gewicht und Volumen jedes Systems in einem E-Fahrzeug verringern, dabei deren Effizienz verbessern und gleichzeitig die Kosten der Serienfertigung im Auge behalten. Die Leistungs- und Sicherheitsanforderungen aufgrund der hohen Spannungen und Ströme führen dazu, dass die Überwachung des Differenz-/Fehlerstroms (Residual Current Monitoring, RCM) ein zunehmend wichtiger Teil des Systems ist.

Die zweite Herausforderung ist die Komplexität von Vehicle-to-Everything-Anwendungen (V2X). Damit lässt sich die in den EV-Batterien gespeicherte Energie nicht nur für den Antrieb des Fahrzeugs nutzen, sondern auch für andere Fahrzeuge, den Haushalt, Geräte und sogar das Stromnetz. Dieser Paradigmenwechsel hat erhebliche Auswirkungen auf die Gestaltung und den Betrieb der EV-Ladeinfrastruktur sowie auf die Bordelektronik und -systeme. Bidirektionale OBC-Systeme sind für die Aktivierung von V2X-Funktionen unerlässlich und erfordern ausgeklügelte Sicherheitslösungen, um Nutzer vor Stromschlägen zu schützen. Bidirektionale OBCs brauchen zuverlässige und genaue RCM-Lösungen, die sowohl Wechsel- als auch Gleichströme verarbeiten können und aktuelle Vorschriften wie ISO5474 erfüllen.

Eines der Hauptanliegen beim EV-Laden ist es, die Nutzer vor Stromschlägen zu schützen. Während es für die herkömmliche AC-Ladeinfrastruktur bereits robuste Standards und klare Spezifikationen gibt, führt der Übergang zu transformatorlosen und bidirektionalen OBC-Systemen innerhalb des E-Fahrzeugs zu Komplexitäten, die höhere Standards bei der Differenzstromerkennung erfordern. Insbesondere müssen RCM-Sensoren immun gegen magnetische und elektrische Felder in der Umgebung sein, Überlastungen effizient bewältigen, dabei aber Fehlauslösungen vermeiden, die den Ladevorgang stören. Die Sensoren müssen sowohl AC- als auch DC-Leckströme erkennen, Schutzmechanismen auslösen und robust genug sein, um Fehlalarme zu vermeiden.

Bei bidirektionalen OBC-Systemen wird die Sache noch komplexer. Diese Systeme müssen der aktuellen Norm ISO5474 entsprechen, die funktionale Sicherheit für die AC-Übertragung in E-Fahrzeugen festlegt und die Erkennung von AC- und DC-Fehlerströmen mit hoher Genauigkeit vorschreibt. RCM-Sensoren in bidirektionalen OBC-Systemen müssen dieser Norm entsprechen, um die Sicherheit während des V2X-Betriebs zu gewährleisten.

IEC 62752, UL2231, IEC62955 und die neue ISO5474 erfordern das Erkennen von AC- und DC-Leckströmen. RCM-Lösungen mit Fehlerstromerkennungskomponenten vom Typ AC, A und F gewährleisten dabei nicht das richtige Sicherheitsniveau (Bild 2). Nur ein Typ B kann AC und glatten DC messen und erkennen.

Die idealen Stromsensoren für AC-Wallbox-Designs müssen den internationalen Auslösestandards (IEC 62752/62955/UL 2231) entsprechen und für verschiedene Ausgangsleistungspegel geeignet sein. Darüber hinaus müssen die Komponenten ein- und dreiphasige Architekturen unterstützen, um den Einsatz in AC-Ladesystemen mit einer Leistung von 3,3 bis 22 kW zu ermöglichen.

Die von LEM entwickelte Fluxgate-Technik ist die nach eigenen Angaben genaueste heute verfügbare kontaktlose Messtechnik mit hoher Effizienz beim Erkennen von AC- und DC-Fehlerströmen. Auf dieser Technik basieren die RCM-Sensoren der Serien CDSR und CDT. CDSR-Sensoren etwa sind in ein- und dreiphasigen Versionen erhältlich und erkennen bei der AC-/DC-Überwachung Fehlerströme von nur 5 mA. Das kompakte Design, die einfache Integration und die vertikale Form prädestinieren diese Sensoren für den Einsatz in AC-Wallbox-Lösungen.

Der kürzlich eingeführte CDT-Sensor basiert ebenfalls auf der patentierten Fluxgate-Technik und bietet eine Genauigkeit von ±0,5 mA bei 5 mA sowie Automotivestandard, um Fehler-/Leckströme in Ladekabeln zu erkennen. Der CDT sorgt für dynamische Fehlerauslösung mit Diagnosefunktionen (Temperatur, Überstromerkennung, Über-/Unterspannungsschutz usw.), erfüllt alle relevanten Standards und vereinfacht die Systementwicklung. Erhältlich sind ein- und dreiphasige Versionen für verschiedene Ladekabelkonfigurationen.

Die Umstellung auf bidirektionale OBC-Systeme, die EV-Batterien als Stromquelle für verschiedene Anwendungen (V2X) ermöglichen, unterstreicht den Bedarf an RCM-Sensoren vom Typ B im Fahrzeugbereich: ISO-26262-ASIL-B- und ISO5474-konform. Der CDT-SF-Sensor erfüllt diese Anforderungen und bietet zwei unabhängige Messkanäle, Selbstdiagnose und detaillierte Fehlerberichterstattung über SPI. Die zwei unabhängigen Messkanäle sorgen für Redundanz und damit Zuverlässigkeit, während Selbstdiagnose und Fehlerberichterstattung zur Leistungsfähigkeit und Sicherheit beitragen. Der Sensor ermöglicht auch eine vollständig externe Testwicklung für Sicherheitstests und mehr.

Über die dynamische Auslösefunktion lässt sich die Auslöseschwelle entsprechend der spezifischen regionalen und normativen Anforderungen einstellen. Der Sensor eignet sich somit für verschiedene Märkte sowie Anwendungen und kann zum Anpassen des Systems und Umschalten vom Fahrzeugladen zur Last-/Netzabgabe (V2L/V2G) dienen.