Relais für das neue 48-V-Bordnetz Schalten ohne Lichtbogen

Ab 2016 ist die Einführung eines Zwei-Spannungs-Bordnetzes mit 12 V und 48 V geplant. Ein speziell für das neue Bordnetz entwickeltes kompaktes 48-V-Relais garantiert eine galvanische Trennung zwischen Antriebs- und Lastkreis und unterdrückt Schalt-Lichtbögen auch ohne Löschmagnet und Schutzgasfüllung zuverlässig.

Um zukünftig den Energiebedarf der immer zahlreicheren Sicherheits-, Komfort- oder Luxusfunktionen zu decken, reicht das bisherige reine 12-V-System nicht mehr aus – daher wird sich ab 2016 zum vertrauten 12-V-Bordnetz eine weitere Spannungslage mit 48 V gesellen. Die 48-V-Technik stellt jedoch hohe Anforderungen an die Automotive-Elektronik, so sind beispielsweise die bisher verwendeten 12-V-Relais zum Schalten der Batterieversorgung für die neue Architektur nicht mehr geeignet.

Die größte Herausforderung bei einer Bordnetzspannung von 48 V ist es, das Potenzial in einem Stör- beziehungsweise Crashfall sicher zu trennen. Die hierbei zwingend notwendige galvanische Trennung lässt sich mit den heutigen Halbleiterlösungen jedoch nicht garantieren, also müssen die Hersteller stattdessen mechanische Relais einsetzen. Allerdings ist es derzeit für Automobilhersteller und Zulieferer im Bereich Batteriemanagement schwierig, geeignete Komponenten für diesen Anwendungsfall zu bekommen, da die neuen Anforderungen eine Nutzung der konventionellen 12-V-Relais unmöglich machen. Daher greift der Markt bislang auf Trennelemente aus dem Hochvoltbereich zurück, die jedoch keine wirtschaftliche Lösung darstellen.

Lichtbogen ohne Löschmagnet unterdrücken

Im Gegensatz zum 12- bis 24-V-Bereich stellen bei einem 48-V-Bordnetz Schaltlichtbögen ein Problem dar. Denn während sich diese Lichtbögen im 12-V-Netz noch leicht unterdrücken lassen, ist dies bei einer Niederspannung von 48 V bis 60 V schon erheblich schwieriger. Aufgrund des hohen elektrischen Potenzials könnte ein Störlichtbogen nicht selbstständig erlöschen, was zu Schäden im Relais oder Fahrzeug führen könnte. Relais für einen Gleichspanungsbereich von 400 V besitzen eine kostenintensive Schutzgasfüllung, um eine Zündung solcher Lichtbögen zu unterdrücken. In ihrem Inneren befindet sich zudem ein Permanentmagnet, der einen eventuell auftretenden Lichtbogen mit seinem Feld strecken und zum Erlöschen bringen soll. Dadurch wird es allerdings notwendig, die Stromflussrichtung am Relais vorzugeben, sodass der Lichtbogen durch die Lorenzkraft in die richtige Richtung oder in Richtung von Kühlrippen gestreckt wird.

Der Hersteller Gruner hat bislang vor allem Hochstromrelais zum Schalten von Netzspannung und für 12-V-Automobilbordnetz-Anwendungen hergestellt. Nun hat das Unternehmen jedoch eigens für das 48-V-Bordnetz ein Relais entwickelt (Bild 1), das ohne teure Gasfüllung oder umständliche magnetische Löschvorrichtungen auskommt.

 Stattdessen sorgen bestimmte Kontaktabstände und die schnelle, temperaturunabhängige Öffnungsgeschwindigkeit dafür, dass der Lichtbogen erlischt. Zudem ist die Kontaktbaugruppe symmetrisch aufgebaut, sodass der Anwender nicht auf die Stromflussrichtung achten muss.

Da es somit deutlich mehr Einbaumöglichkeiten gibt, lässt sich das neue Trennelement laut Hersteller flexibler einsetzen als andere Hochvoltgeräte. Zudem ist das Relais dadurch auch für Anwendungen prädestiniert, die eine wechselseitige Stromflussrichtung erfordern. Ein weiteres Merkmal des Gruner-Relais stellt die Abfrage der Kontaktstellung dar. Mittels einer separaten Sensorabfrage lässt sich feststellen, ob das Relais aktuell offen oder geschlossen ist. Das Diagnosepotenzial lässt sich dabei an mehreren Stellen der Kontaktbaugruppe abgreifen. Bei Störungen kann man so schnell und zuverlässig feststellen, ob ein Fehler vorliegt (Bild 2).

Standardrelais mit flexiblem Design

Beim Antriebssystem des Relais kann der Anwender zwischen einer mono- und einer bistabilen Lösung wählen. Bei bistabilen Relais gibt es im Gegensatz zu monostabilen Relais zwei feste Kontaktstellungen – geschlossen oder geöffnet. Hierbei ist das Energieeinsparpotenzial besonders hoch, da im Gegensatz zur monostabilen Lösung lediglich für das Ändern der Kontaktstellung ein kurzer Stromimpuls nötig ist und somit keine nennenswerte Verlustleistung durch die Spule entsteht. Im Aufwand für die Herstellung unterscheiden sich die beiden Antriebsarten nur minimal.

Grundsätzlich zeichnet sich das 48-V-Relais durch ein sehr flexibles Design aus: Die kundenseitige Anpassung beispielsweise der Spulenadaption ist laut Hersteller einfach, da das Gesamtrelais gleich bleibt und nur der Stecker-Adapter selbst ausgetauscht wird. Zudem wiegt die Komponente nur 130 g statt der bei konventionellen Hochspannungsrelais üblichen 400 g und zeichnet sich durch eine flache und kompakte Bauform aus – so lässt sich in der Batterie oder in Fahrzeugen, deren Bauräume eng begrenzt sind, wichtiger Platz einsparen. Je weniger Platz das Relais beispielsweise in einem Batteriegehäuse einnimmt, desto mehr Zellen lassen sich integrieren, wodurch man eine höhere Leistungsdichte erreichen kann. Zudem ist das Trennelement aufgrund der kompakten Bauform und der einfachen Integration laut Hersteller um den Faktor 3 wirtschaftlicher als herkömmliche Komponenten aus dem Hochvoltbereich.

Kurzschlussfest und schockbeständig

Laut Angaben von Gruner ist das 48-V-Relais mit den Strom- beziehungsweise Energieanforderungen großer Trennelemente vergleichbar. Dabei wurde es so gestaltet, dass eine hohe Kurzschlussfestigkeit gewährleistet ist. Wenn beispielsweise aufgrund eines Fehlerfalles kurzzeitig ein hoher Strom von mehreren tausend Ampere fließt, öffnet das Relais aufgrund der speziellen Kontaktanordnung nicht unbeabsichtigt. Bei Nennspannung kann das Relais laut Angaben des Herstellers bis zu 1,5 kA für 500 ms führen und sicher trennen. Darüber hinaus zeichnet sich das neue Relais durch eine hohe Schockfestigkeit aus, denn auch bei Stößen muss das Bauelement in der definierten Schaltstellung verschlossen bleiben. Die Automobilindustrie fordert bis zu 50 g, doch bei Gruner haben die Ingenieure das neue Relais sogar bei 80 g getestet und konnten laut Angaben des Unternehmens keinen Ausfall verzeichnen.

Über den Autor:

Patrick Spreitzer ist Vorstand des Geschäftsbereichs Relais/Magnete bei Gruner.