Mild-Hybrid-Fahrzeuge Trennrelais für 48-V-Bordnetze

Das Trennrelais 850 für 48-V-Bordnetze von Gruner kommt ohne Schutzgasfüllung oder magnetische Löschvorrichtungen aus.
Das Trennrelais 850 für 48-V-Bordnetze von Gruner kommt ohne Schutzgasfüllung oder magnetische Löschvorrichtungen aus.

Immer mehr Automobilhersteller planen Mild-Hybrid-Fahrzeuge mit einer Batteriespannung von 48 V. Doch anders als beim 12-V-Bordnetz verlöschen beim Abschalten von 48 V die Lichtbögen nicht, was fatale Folgen haben kann. Ein neues Trennrelais soll da Abhilfe schaffen.

von Robert Frank, Key Account Manager bei Gruner.

Die größte Herausforderung bei einer Bordnetzspannung von 48 V ist es, bei einer Störung oder bei einem Unfall diese Spannung sicher zu trennen. Dabei ist eine galvanische Trennung zwingend notwendig, sodass Halbleiterlösungen nicht infrage kommen. Zudem stellt die 48-V-Technik hohe Anforderungen an die Automobilelektronik, sodass 12-V-Relais zum Schalten und Trennen von Lithium-Ionen-Batterien für diese neue Architektur nicht mehr geeignet sind. 

Daher greift der Markt bislang auf Trennelemente aus dem Hochspannungsbereich zurück. Solche Relais für 400 V Gleichspannung besitzen eine kostenintensive Schutzgasfüllung, um eine Zündung von Lichtbögen zu unterdrücken. Zudem befindet sich in ihrem Inneren ein Permanentmagnet, der den Lichtbogen mit seinem Feld strecken und zum Erlöschen bringen soll. Dadurch wird es jedoch notwendig, die Stromflussrichtung am Relais vorzugeben, sodass der Lichtbogen durch die Lorenzkraft in die richtige Richtung oder in Richtung von Kühlrippen gestreckt wird. Summa summarum ist eine solche Lösung unwirtschaftlich.

Die Firma Gruner hat nun eigens für das 48-V-Bordnetz in Fahrzeugen ein Relais entwickelt, das dieser Konstruktion entspricht. Das Trennrelais 850 (Bild) kommt ohne Gasfüllung oder magnetische Löschvorrichtungen aus. Stattdessen sorgen genau definierte Kontaktabstände und die flinke, temperaturunabhängige Öffnungsgeschwindigkeit dafür, dass der Lichtbogen erlischt. Zudem ist die Kontaktbaugruppe symmetrisch aufgebaut, sodass kundenseitig nicht auf die Stromflussrichtung geachtet werden muss.

Da es somit mehr Einbaumöglichkeiten gibt, kann das neue Trennelement flexibler eingesetzt werden als andere Hochspannungskomponenten. Zudem ist das Relais dadurch auch für Anwendungen mit bidirektionalem Stromfluss prädestiniert.

Ein weiteres Merkmal des 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 ist so schnell und zuverlässig feststellbar, ob ein Fehler vorliegt. 

Flexibles Design 

Beim Antriebssystem des Trennrelais können Anwender zwischen einer mono- und einer bistabilen Lösung wählen. Bei bistabilen Relais gibt es im Gegensatz zu monostabilen Modellen zwei feste Kontaktstellungen: geschlossen oder geöffnet. Hierbei ist das Energiesparpotenzial besonders hoch, da im Gegensatz zur monostabilen Lösung lediglich für das Ändern der Kontaktstellung ein kurzer Spannungsimpuls benötigt wird, im Betrieb entsteht keine nennenswerte Verlustleistung und die Spule erwärmt sich nicht. 

Die kundenseitige Anpassung beispielsweise der Spulenauslegung mit 12 V oder 48 V Steuerspannung ist recht einfach umsetzbar. Auch sind bereits zwei unterschiedliche Steckersysteme umgesetzt worden. Zudem wiegt das Relais nur 130 g statt der bei konventionellen Hochspannungsrelais üblichen 400 g und weist eine besonders flache und kompakte Bauform auf. Dadurch kann in der Batterie oder im Fahrzeug, deren Bauräume eng begrenzt sind, wichtiger Platz und Gewicht eingespart werden. Je weniger Platz das Relais beispielsweise in einem Batteriegehäuse einnimmt, desto mehr Zellen lassen sich integrieren, wodurch die Leistungsdichte steigt.

Das 48-V-Relais ist laut Gruner mit den Strom- beziehungsweise Energieanforderungen großer Trennelemente vergleichbar. Der konstruktive Aufbau wurde dabei 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. Das Relais kann bei Nennspannung bis zu 1,5 kA für 500 ms führen und sicher trennen. Auch bei Stößen muss das Relais in der definierten Schaltstellung geschlossen bleiben. Die Automobilindustrie fordert bis zu 50 g, wobei Gruner das Relais sogar bei 60 g getestet hat und es auch dabei zu keinem Ausfall kam.

Neben Hybridfahrzeugen eignet sich das neue Trennrelais auch für Anwendungsbereiche, in denen üblicherweise Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.