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CODICO: Fehlerstrom-Sensoren für Ladesäulen

31. März 2021, 09:00 Uhr   |  Codico

CODICO: Fehlerstrom-Sensoren für Ladesäulen
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Elektroautos werden zum Massenphänomen, was Ladesäulen und Wallboxen wie Pilze aus dem Boden schießen lässt. Sicherheit, Integration und intelligente Auswerteelektronik sind zentrale Anforderungen von E-Mobility Ladestationen, denen gerecht zu werden gilt.

Aus dem Haushalt kennt ihn jeder

Vom Sicherungskasten im Keller ist der Fehlerstrom-Schutzschalter allgemein bekannt, landläufig als FI-Schalter, im englischen als Residual Current Device (RCD). Auch wenn in Altbauwohnungen häufiger als man denkt noch Schmelzsicherungen und Verkabelung ohne Schutzleiter vorhanden sind, also auch kein RCD, wird dies immer seltener. Zum Glück, denn die Aufgabe der Schmelzsicherung oder des Sicherungsautomaten beschränkt sich auf den Schutz der Leitungen vor Überstrom, es handelt sich hier um eine Brandschutzmaßnahme. Der RCD hingegen schützt den Menschen direkt vor möglicherweise tödlichen Stromschlägen. Er vergleicht, ob genau so viel Strom aus dem Stromkreis herausfließt, wie in den Stromkreis hineingeflossen ist. Gibt es hier eine Abweichung muss es einen Fehlerstrom geben, der z.B. in einen Menschen fließt. Der FI-Schalter schaltet dann bei gewöhnlich 30mA Fehlerstrom ab, über 50mA wird der Netzwechselstrom für Menschen potentiell tödlich. Wie wichtig eine moderne Elektroinstallation für den Schutz der Bewohner ist, sieht man dann auch an den Statistiken. Während der VDE für das Jahr 1970 noch über 250 tödliche Stromunfälle in Deutschland meldete, waren es 2018 nur noch 43. Nur nebenbei: Von den 43 Toten waren 34 Männer, welche gerne an Elektroinstallationen arbeiten, jedoch dabei offensichtlich auch die nötige Vorsicht und Sorgfalt missen lassen - wer braucht schon einen Phasenprüfer, wenn es doch die Fingerspitze auch tut.

Sicherheit beim Laden des Elektroautos

Die Verkehrswende ist in vollem Gange und das Rennen scheint entschieden, die Verbrenner werden bei den PKW durch batteriebetriebene Fahrzeuge (PEV – Plug-in Electric Vehicle) verdrängt. Entsprechend entwickelt sich der Markt für Ladesäulen und Wallboxen (Electric Vehicle Supply Equipment), die stellenweise als öffentliche Ladesäulen wie die Pilze aus dem Boden schießen.  Je mehr das Elektroauto zum Massenphänomen wird, werden auch die Verkaufszahlen der Wallboxen explodieren, denn der Garagenbesitzer will natürlich sein Auto bequem über Nacht laden, oder auf dem Firmenparkplatz, so dass er jeden Morgen bzw. nach der Arbeit mit „vollem Tank“ starten kann. Öffentliche Ladesäulen sind dann lediglich für die Langstrecke interessant, der verbrennerübliche wöchentliche Ausflug zur Tankstelle abgeschafft.

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FG-R05-3A / FG-R05-4A

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FG-R01-4A

Hierbei darf die Sicherheit allerdings nicht klein geschrieben werden, fließen beim Laden eines Elektroautos doch enorme Ströme im zweistelligen Amperebereich in die Batterie und in Zukunft auch aus den Batterien (Stichwort Vehicle-To-Grid) wieder zurück ins Netz. Auch hier können bei Isolationsfehlern im Kabel oder Auto Fehlerströme auftreten, vor denen Mensch und Tier geschützt werden müssen.

In Europa und teilweise auch global wird diese Problematik bisher durch die Normen IEC 62752:2016 (In-cable control and protection device for mode 2 charging of electric road vehicles (IC-CPD)) und IEC 62955:2018 (Residual direct current detecting device (RDC-DD) to be used for mode 3 charging of electric vehicles) geregelt. Die Standards für Mode 2 Laden mittels Ladekabel bzw. Mode 3 Laden per Wallbox fordern hierbei nicht nur das Erkennen und Abschalten bei AC Fehlerströmen > 30mA, sondern auch bei DC Fehlerströmen > 6mA.

Durch den integrierten Fehlerstromschutz in der Ladestation bzw. dem Kabel, der die DC Fehlerströme detektiert, ist dann in der Hausinstallation nur ein günstiger Typ A RCD erforderlich. Dieser würde alleine die beim Elektroautoladen möglichen Gleichstromfehlerströme nicht erkennen, bzw. diese können sogar zu seiner „Erblindung“ gegenüber AC-Fehlerströmen, also Funktionsverlust, führen.

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FG-R02-4A

Integrierte und zukunftssichere normgerechte Lösung

Mit dem FG-R05-3A hat KEMET den ersten Sensor einer Serie auf den Markt gebracht, der mit der IEC 62752 kompatibel ist und eine integrierte Lösung auf kleinstem Raum bietet.  FG-R05-4A ist eine pinkompatible Variante, die zusätzlich den Anforderungen der IEC92955 entspricht.

Neben diesen beiden Sensoren mit vertikaler Bauform hat KEMET nun sein Portfolio durch horizontale Varianten ergänzt, um unterschiedlichen mechanischen Einbaubedingungen in den Wallboxen gerecht zu werden. Beim FG-R01-4A kann das stromführende Kabel durch ein Loch durch Sensor und Leiterplatte geführt werden. Der FG-R02-4A beinhaltet außerdem Busbars, um Anwendungen abzudecken, bei denen die Spannung auf der Leiterplatte geführt wird und kann so den mechanischen Aufbau der Wallbox weiter vereinfachen. Sowohl FG-R01-4A, als auch FG-R02-4A entsprechen umfänglich der IEC 62752 und der IEC 92955.

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Spezifikationen

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FG Serie

Aufbau und Funktion

Der Sensor besteht aus einer Koppelspule und einem ASIC der die Auswerteelektronik integriert. Er wird als THT Bauteil auf die Leiterplatte gelötet, das Ladekabel wird durch ein Loch im Sensor hindurchgeführt. Ist der induktiv detektierte Summenstrom ungleich null liegt ein Fehlerstrom vor, der auf einen Isolationsfehler im Ladekabel oder Auto deutet. Der Fehlerstrom in der Spule verstimmt einen Oszillator, die Elektronik vermisst die jeweiligen high und low-Zeiten des resultierenden Ausgangssignals. So kann nicht nur die absolute Größe und Art des Fehlerstroms bestimmt werden, sondern auch dessen Richtung, eine für die Fehlerdiagnose wertvolle Information. Die Elektronik wird mit 5V versorgt und meldet an 5V Logikausgängen jeweils ein Überschreiten der AC- bzw. DC-Fehlerstromschwelle, so dass die entsprechenden Schütze fallen gelassen werden können, um das Ladekabel stromfrei zu schalten. Außerdem wurde ein analoger Ausgang integriert, der den DC Fehlerstrom und mit 50Hz überlagert den AC Fehlerstrom linear abbildet und so dem Ladecontroller ein Monitoring der Fehlerströme ermöglicht. So kann schon vor dem Überschreiten der normativ geforderten Schwellen reagiert werden, um beispielsweise rechtzeitig eine Wartung auszulösen, bevor die Säule außer Betrieb genommen werden muss. Ein nicht zu unterschätzender Mehrwert.

Fazit

Der KEMET RCD erfüllen nicht nur die globalen normativen Anforderungen an die Sicherheit von E-Mobility Ladestationen, sondern bietet eine kompakte integrierte und zukunftssichere Lösung und dazu dank intelligenter Auswerteelektronik auch noch wertvolle zusätzliche Informationen.

Andreas Dirschl

andreas.dirschl@codico.com

+49 89 130143820

Links:

https://www.codico.com/de/produkte/sensoren

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https://www.codico.com/de/hersteller/kemet


 

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