Relais Elektrische Sicherheit beim Laden von Elektrofahrzeugen

Besonders in Städten ist Elektromobilität durch die leisen und emissionsfreien Fahrzeuge ideal.
Besonders in Städten ist Elektromobilität durch die leisen und emissionsfreien Fahrzeuge ideal.

Weltweit unterschiedliche Normen und Standards erschweren die Entwicklung von neuen Netzrelais, die speziell für den Einsatz im Fahrzeug geeignet sind. Daher wird im Moment auf bestehende Bauteile zurückgegriffen.

Wenn es um den Einsatz von elektromechanischen Relais in Elektrofahrzeugen geht, ist grundsätzlich zwischen dem Anwendungsbereich der Netztrennrelais und dem der Standard-Kfz-Relais zu unterscheiden. Die Entwicklung verläuft für beide Einsatzbereiche völlig unterschiedlich. Kfz-Relais müssen vor allem in der Lage sein, hohe Gleichstromlasten zu bewältigen bei einer für Personen ungefährlichen Spannung von 12 VDC. Für die Zuverlässigkeit spielen die Schock und Vibrationsfestigkeit eine entscheidende Rolle.

Dagegen haben Netzrelais neben der eigentlichen Schaltfunktion die Aufgabe, im Fehlerfall Potenziale zu trennen, um Personen vor gefährlichen Körperströmen zu schützen. Ansteuerkreis und Lastkreis müssen nach den Regeln der Isolationskoordination entsprechende Luft- und Kriechstrecken aufweisen. Die Standardisierung der Netzrelais für Anwendungen im Fahrzeug steckt aber noch am Anfang oder ist noch nicht vorhanden.

Das Thema Elektromobilität im Individualverkehr nimmt langsam Fahrt auf, auch wenn die optimistischen Ziele, die sich die Automobil- und Zulieferindustrie sich gesteckt hat, bei Weitem nicht erreicht werden. In einer Studie der „Zeit“ von 2009 finden sich noch Prognosen, die von 4,5 Millionen Elektroautos bis zum Jahr 2020 allein in Deutschland ausgehen. Trotz der deutlich reduzierten Prognose auf ca. 1 Million Fahrzeuge, die sicher auch nicht erreicht werden, sieht man neben und auf den Straßen eine immer breitere Palette von Fahrzeugen, die über einen elektrischen Antrieb verfügen. Vor allem E-Bikes und Hybridfahrzeuge sind sehr gut vertreten, während sich die reinen Elektro-Pkw noch an einer Hand abzählen lassen. Besonders in Städten ist Elektromobilität durch die leisen und emissionsfreien Fahrzeuge ideal. Bei Zweiradnutzern hat sich das E-bike fest etabliert, und die Verkaufszahlen sind in den letzten Jahren rasant gestiegen.

Bei einem Elektrofahrrad oder Pedelec liegt wohl das größte Risiko in der Geschwindigkeit, die diese Fahrzeuge erreichen, ohne Krach zu machen. Die ersten Opfer der Elektromobilität werden wohl Fußgänger sein, die die Evolution auf der Straße noch nicht verinnerlicht haben. Bei Elektrofahrrädern geschieht das Aufladen der Batterien über ein Ladegerät, das separat vom Fahrzeug den vom Stromnetz gelieferten Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Die DC-Spannungen sind dabei in einem für Personen ungefährlichen Bereich und liegen im Bereich von 40 bis 60 V. Das Laden geschieht üblicherweise an der Steckdose zuhause. Das Ladegerät wird in der Regel nicht mitgeführt. Zum einen reicht eine Batteriefüllung für eine Strecke von ca. 80 km, zum anderen kann man bei leerer Batterie auch mit reiner Muskelkraft sein Ziel erreichen.

Bei Fahrzeugen mit höherer Leistung wie Pkw ist der Inverter in der Regel im Fahrzeug eingebaut (on-board). Eine Ladeelektronik steuert dabei die vom Stromnetz über die Steckdose verfügbare bzw. von der Batterie verkraftbare Ladeleistung bzw. den Ladestrom in Abhängigkeit von Temperatur und Ladezustand der Batteriezellen.

Grundsätzlich kann ein Elektrofahrzeug an jeder Haushaltssteckdose geladen werden. Da man es jedoch auf beiden Seiten des Kabels mit für Menschen gefährlichen Spannungen zu tun hat, stellt die Sicherheit ein Muss beim Aufbau einer Ladeinfrastruktur dar. Haushaltssteckdosen sind nicht geeignet, 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 Temperatur und die Spannung laufend überwacht werden und im Notfall das Fahrzeug vom Netz getrennt wird. Dies wird üblicherweise durch eine RCD geleistet.

Schon was von RCD gehört?

Das Kürzel RCD für die englische Bezeichnung Residual Current protective Device (Fehlerstromschutzgerät) wird auch in den deutschsprachigen Normen verwendet. Das Abschalten im Fehlerfall wird von Netzrelais geleistet, die sich je nach Ladebetriebsart an verschiedenen Stellen im Stromkreis befinden. Die Schutzeinrichtung muss alle Phasen inklusive des Neutralleiters abschalten. Der Bemessungsdifferenzstrom darf 30 mA nicht überschreiten.

Die allgemeinen Anforderungen sind in Norm IEC 61851-1 beschrieben. Es sind vier standardisierte Lademodi spezifiziert, die AC- und DC-Laden in unterschiedlichster Form erlauben. Als Ergänzung dazu dient die Norm IEC 62196, die die technischen Spezifikationen von Steckern und Steckdosen beschreibt. Die unterschiedlichen Arten des kabelgebundenen Ladens werden als Ladebetriebsarten oder Mode bezeichnet und definieren sich wie folgt:

  • Ladebetriebsart 1 (Mode 1) Laden mit Wechselstrom an einer einphasigen Haushaltssteckdose („Schuko-Steckdose“) oder einer ein- oder dreiphasigen CEE-Steckdose. Es findet keine Kommunikation zwischen Steckdose und Fahrzeug statt. Ein Schutz gegen gefährliche Spannungen muss von der hausseitigen Elektroinstallation sichergestellt werden. Diese Ladebetriebsart wird meist bei kleineren Elektrofahrzeugen wie Elektrorollern verwendet.
  • Ladebetriebsart 2 (Mode 2) Die Mode-2-Ladung ist mit einer in der Ladeleitung integrierten Steuer- und Schutzeinrichtung (In-Cable Control and Protection Device; IC-CPD) ausgestattet. Diese Ladeleitung verbindet ein Elektrofahrzeug, das üblicherweise in Ladebetriebsart 3 geladen wird, mit einer landesüblichen einphasigen Steckdose oder einer CEE-Steckdose. Es gibt eine Signalleitung zwischen IC-CPD und Fahrzeug, die per Pulsweitenmodulation dem Fahrzeug den zulässigen Ladestrom übermittelt. Der maximal mögliche Ladestrom liegt bei 16 A bzw. 32 A. Als Schutz werden hier in der RCD-Kontrolleinheit Netzrelais verwendet, die im Fehlerfall abschalten.
  • Ladebetriebsart 3 (Mode 3) Das Laden im Mode 3 kann nur an einer zweckgebundenen Steckdose oder einem fest an die Installation angeschlossenen Ladekabel durchgeführt werden. Die Ladestation kommuniziert direkt mit dem Elek­trofahrzeug. Die Sicherheit wird dadurch gewährleistet, dass sowohl in der fest installierten Wallbox bzw. ortsfesten Ladestation eine RCD im Strompfad vorgeschrieben ist. Die Schaltaufgaben werden auch hier von Relais übernommen. Diese müssen in der Lage sein, 16 A beim einphasigen Laden oder bis zu 63 A bei dreiphasigem Laden sicher zu trennen.
  • Ladebetriebsart 4 (Mode 4) Laden mit Gleichstrom (DC) für Schnellladungen. Es existiert eine Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug. Beim DC-Laden gibt es aktuell zwei konkurrierende Varianten: das von japanischen Herstellern unterstützte CHAdeMO-System und das von europäischen und amerikanischen Herstellern entwickelte „Combined Charging System“. Aktuell sind erste Fahrzeuge mit der Möglichkeit zur Schnellladung mit dem CHAdeMO-System verfügbar.

Die Ladebetriebsart 1 wird von den deutschen Automobilherstellern nicht unterstützt, da kein sicherer Betrieb gewährleistet wird. Deshalb soll im folgenden Abschnitt der Mode 2 näher betrachtet werden. Der Schutz gegen elektrischen Schlag liegt hier nicht nur bei der Hausinstallation, sondern auch im Kabel und wird durch die IC-CPD sichergestellt. Die Fehlerstromerkennung im Ladekabel ist in der zukünftigen Norm IEC 62752 (In-Cable Control and Protection Device for mode 2 charging of electric road vehicles (IC-CPD)) standardisiert, die voraussichtlich 2014 in Kraft tritt. Diese Norm beschreibt nun im Detail die mechanischen und elek­trischen Eigenschaften der verwendeten Bauteile und des Ladekabels als Ganzes. Für die Leistungseinstellung bzw. den korrekten Ladestrom und zur Erfüllung der Sicherheitsanforderungen ist eine Kommunikation mit dem Fahrzeug erforderlich.

Vor dem Betrieb des elektrischen Verbrauchers findet eine Prüfung der benutzten Steckdose auf ordnungsgemäße Verdrahtung statt. Erst danach kann der elektrische Verbraucher eingeschaltet werden. Durch diese Funktion verhindert die IC-CPD Unfälle, die durch fehlerhafte Elektroinstallationen (z.B. fehlender Schutzleiter oder Vertauschung von Schutzleiter und Außenleiter) verursacht werden. Fehler dieser Art sind in der Regel ohne eine genauere Untersuchung der Elektroinstallation nicht erkennbar und somit besonders gefährlich. Wichtiger Baustein ist dabei das Relais, das den Stromkreis trennen muss, wenn eine falsche Verdrahtung, ein Fehlerstrom oder ein thermisches Problem vorliegt.