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Sicherungen automobiler Batteriesysteme

Kombi-Schutz für starke Akkus

01. Dezember 2020, 13:21 Uhr   |  Autor: Till Wagner, Redaktion: Ute Häußler

Kombi-Schutz für starke Akkus
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In Elektroautos mit immer leistungsfähigeren Akku-Packs steigt die Gefahr von Überlast und Kurzschlüssen. Folgen sind Probleme bei der Koordination von Schmelzsicherungen und Schutzeinrichtungen sowie Limitierungen. Hybride Schutz- und Schalteinrichtungen bieten eine hochvolt-geeignete Alternative.

Alltagstaugliche Elektromobilität verlangt nach kurzen Ladezeiten, hohen Kilometerleistungen pro Akku-Ladung und einer großen Vielfalt an elektrischen Fahrzeugmodellen. Diese Faktoren beeinflussen das Design und die Leistung des elektrischen Antriebsstrangs. Mit einer erhöhten Gesamtleistung geht meist auch eine Erhöhung der Systemspannung einher. Heutige Elektrofahrzeuge sind hauptsächlich im 400-V-Bereich zu finden. Technologische Herausforderungen verlangsamen die Einführung von 800-V-Hochvolt-Systemen, obwohl sie langfristig Vorteile haben.

Mit einer höheren Gesamtleistung zur Steigerung der Akkukapazitäten gehen allerding auch höhere potenzielle Fehlerströme einher, welche das Bordnetz eines Elektroautos beeinträchtigen oder beschädigen können. Die höheren Fehlerströme sind dementsprechend ein wichtiges Kriterium für die Auswahl passender Schutzkomponenten im Batterie-Management-System (BMS). Die Anforderungen an Schalt- und Schutzgeräte steigen zusätzlich durch anspruchsvollere Schnellladezyklen und Motorenleistungen – sie müssen dann höheren Betriebsströmen und zyklischen Anforderungen standhalten.Herkömmliche Sicherheitsarchitekturen, bestehend aus Schütz und Schmelzsicherung, sind diesen gesteigerten Anforderungen nicht mehr gewachsen; beziehungsweise ist es damit zunehmend schwieriger, ein hinreichendes Sicherheitsniveau bei vertretbarem Wartungsaufwand zu garantieren.

Koordination von Schmelzsicherungen

Die Schmelzsicherung ist nicht umsonst eines der am längsten genutzten elektrischen Bauteile überhaupt. Die kompakte Baugröße, ein einfacher Aufbau und der günstige Preis sprechen für sich. Allerdings ist das Auslösen einer Schmelzsicherung ein irreversibler Vorgang und lässt sich nicht aktiv ansteuern. Neben diesen bekannten Aspekten treten in der Elektromobilität zusätzliche Herausforderungen auf.

Das Schnellladen auf Gleichstrombasis wird aktuell viel diskutiert, um lange Ladezeiten und damit ein großes Hemmnis für den Kauf von Elektrofahrzeugen zu beseitigen. Bei dieser Art Anwendung werden allerdings Leistungen erreicht, die in einer konventionellen Auslegung beinahe an Fehlerszenarien heranreichen. Dieses Problem ist allerdings nicht nur auf das Laden beschränkt, auch im Fahrbetrieb steigen die Leistungen. Für eine Sicherung ergibt sich ganz konkret das Problem, dass sie rechtzeitig auslösen muss, um das System zu schützen – aber eben nicht zu früh. Löst die Sicherung beim Schnellladen verfrüht aus, ist das für den Autobesitzer ‚nur‘ ärgerlich, während der Fahrt kann es dagegen problematisch sein.

Eine konventionelle Sicherung erkennt nicht, ob es sich um einen beschleunigten, aber noch zu tolerierenden Ladevorgang oder eine fehlerhafte Überlast handelt – als passives Bauteil kann sie nicht direkt angesteuert werden. Entwickler versuchen diesem Problem mit Pyroswitches entgegenzuwirken. Die Komponenten können angesteuert werden und durchtrennen mittels einer kleinen Explosion eine Stromschiene. Ein Pyroswitch ist ein NC-Bauteil (Normally Closed) und damit nicht „Fail Safe“ ausgelegt. Um es auszulösen und den Stromkreis zu trennen, muss dementsprechend immer eine Steuerspannung vorhanden sein. Ein weiteres Problem ist, dass der Pyroswitch nicht über eine Stromlimitierung verfügt. Das bedeutet: Bis das Gerät auslöst, fließt der volle Fehlerstrom durch das System.

Eine naheliegende Lösung wäre es, Schmelzsicherungen zu wählen, die erst bei deutlich höheren als im Normalbetrieb auftretenden Strömen auslösen. Dabei kommt es allerdings zu Schwierigkeiten in der Koordination mit dem Schütz, welches den Akku im Normalbetrieb schaltet. Bei der Zusammenschaltung dieser Bauteile ist es essenziell, dass die Kontakte des Schützes solange geschlossen bleiben, bis die Sicherung auslöst. Bei höheren Strömen kommen physikalische Effekte (Levitation) zum Tragen – die Kontakte werden auseinandergedrückt. Der Energiefluss, den eine Schmelzsicherung zum Auslösen braucht, wird zeitweise unter­brochen (Bild 1).

Eaton Breaktor Elektromobilität
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Bild 1. Schwierige Schützkoordination bei hohen Strömen.

Abhebende Schütze: Vom Problem zur Lösung

Verantwortlich für diese Bewegung ist die Lorentzkraft im Leiter, die im Nanosekundenbereich einsetzt. Die Auslösezeit der Sicherung und Pyroswitches liegt allerdings im Millisekundenbereich. In konventionellen Designs sollten also Sicherungen bereits bei Strömen auslösen, bei denen es nicht zu Levitationseffekten kommt. Ansonsten besteht die Gefahr einer unkon­trollierten Bewegung der Kontakte. Der Widerstand im entstehenden Lichtbogen kann zu einem Stromabfall führen,
der dafür sorgt, dass die Lorentzkraft nicht mehr stark genug ist, um die Kontakte offen zu halten. In der Folge können die Kontakte beim Schließen verschweißen oder das gesamte Bauteil wird durch thermische Einwirkung zerstört. Außerdem verlängert sich die Auslösezeit der Sicherung bis in einen unsicheren Zustand hinein.

Ein neuer Ansatz besteht darin, die Levitationseffekte nicht zu vermeiden, sondern zu nutzen. Die sehr schnell öffnenden Kontakte müssen am Wiederschließen gehindert werden. Dazu muss die Spule des Schützes äußerst schnell abschalten, ansonsten würden die abhebenden Kontakte wieder schließen. Durch Löschung des Lichtbogens mit zusätzlichen Maßnahmen wird keine nachgeschaltete Schmelzsicherung mehr gebraucht. Die Überstrom­erkennung und die nachfolgende aktive Entmagnetisierung der Spule werden auf Basis eines reaktionsschnellen Hall-Sensors umgesetzt, die Auslösecharakteristik zeigt keine unerwünschten Nebeneffekte. Die Abschaltung der Spule ermöglicht zudem eine sehr
einfache Konfiguration von Schwel­lenwerten gemäß unterschiedlichen OEM-Vorgaben.Ein Effekt der Nutzung des Levitations­effekts ist die Strombegrenzung im Kurzschlussszenario. Der entstehende Lichtbogen begrenzt den Fehlerstrom im Maximalwert und die schnelle Löschung begrenzt die Gesamtenergie des Kurzschlusses auf das Integral der neuen Stromkurve, während in anderen Fällen die volle Fehlerenergie im System für mehrere Millisekunden anliegende kann (Bild 2).

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Bild 2. Limitierung des maximalen Fehlerstroms und der Fehlerenergie.

Fail Safe, kompakt und wiedereinschaltbar

Überstromschutzeinrichtungen wie Schmelzsicherungen und Pyroswitches sind in ihrem Normalzustand geschlossen. Beim aktiven Element Pyroswitch besteht die Gefahr eines Ausfalls der Steuerspannung, sodass das Gerät in diesem Fall nicht auslöst. Dies muss bei einer funktionalen Sicherheitsbetrachtung berücksichtigt werden, ebenso wie weitere mögliche ASIL-Anforderungen. Der Abschaltvorgang für Auslösen im Fehlerfall und Öffnen beim Verlust der Steuerspannung sind bei Sicherungen mit ASIL-C-Zertfizierung zumeist in der Elektronik berücksichtigt und die Kontakte sind „Normally Open“ (NO), werden also bei einem Abfall der Steuerspannung nicht geschlossen. Das Auslösen von Pyroswitches und Schmelzsicherungen ist irreversibel – nur  das robuste magnetische Trennkonzept kombinierter Geräte lässt sich wieder einschalten. Wie und unter welchen Bedingungen das geschehen darf, kann der jeweilige OEM festlegen. Denkbar ist etwa eine Art Notfallmodus, der die Fahrt zur nächsten Werkstatt erlaubt, sofern keine weitergehenden Schäden vorhanden sind. Nach einem Check kann in diesem Fall die Komponente mitsamt der Stromversorgung/PDU-Infrastruktur (Power Distribution Unit) weiter betrieben werden und das Fahrzeug ist sofort wieder einsatzbereit.

Ein weiterer Pluspunkt der Kombination von Schutz- und Schalteinrichtung in einem Gehäuse ist die kompakte Bauform, die weniger Platz in der PDU einnimmt. Gerade dieser Vorteil macht die Technologie so interessant für den Mobilitätsbereich, obgleich sie auch für andere Anwendungen denkbar ist. In der Praxis trägt ein kombiniertes System dazu bei, die Komplexität anspruchsvoller Anwendungen zu reduzieren. Ein hybrides Schutz- und Schaltelement kombiniert nicht nur die Funktionalitäten ‚Schützen‘ und ‚Schalten‘ in einem Gehäuse, sondern reduziert auch die Anzahl der elektrischen Verbindungen und Steuerleitungen. Damit werden andere zusätzliche Komponenten überflüssig. Diese Faktoren vereinfachen die Auslegung von Power Distribution Units für zukünftige, noch leistungsfähigere Elektrofahrzeuge.

Hybrid-Schutz für mehr Power

Auch im Automobilbereich werden weiterhin Schmelzsicherungen zum Einsatz kommen. Es gibt viele Bereiche, in denen die Koordination mit einem Schütz sicher gelingt. Mit der schon heute sichtbaren Leistungssteigerung stoßen konventionelle PDU-Designs allerdings zunehmend an Grenzen. Neue Ansätze wie hybride Schutz- und Schaltelemente können das Koordinationsproblem bei hohen Leistungen überwinden und zu einer allgemeinen Reduktion der Komplexität beitragen. Ein limitierender Faktor für höhere Leistungen in Elektrofahrzeugen wäre damit beseitigt. UH

Der Autor

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Till Wagner hält einen Bachelor in Ingenieurwissenschaften und einen Master in Wirtschaftswissenschaften. Bei Eaton ist er als Produktmanager für Leistungsschalt- und Schutzlösungen in Elektrofahrzeugen zuständig.

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