Sicheres Schalten und Schützen im Hochvolt-Bordnetz
Ein Technologievergleich elektromechanischer, hybrider und vollelektronischer Schalt- und Schutzlösungen
Auch die Batterietechnologie hat große Fortschritte gemacht. Energiedichte, Ladezeiten und Kosten haben sich deutlich verbessert. Heute stehen für viele Einsatzfälle optimierte Batteriepacks und Zellchemien zur Verfügung. Dadurch verschiebt sich der Fokus auch für Schalt- und Schutzlösungen: Nicht mehr nur die technische Machbarkeit und der Preis zählen, sondern zunehmend die Total Cost of Ownership. Hohe Verfügbarkeit, einfache Integration, geringe Verlustleistung und Sicherheit im Fehlerfall werden zu entscheidenden Kriterien.
Zu Beginn der Hochvolt (HV)-Elektrifizierung dominierten gasgefüllte HV-Schütze und HV-Schmelzsicherungen. Beide Technologien haben sich bewährt, stoßen jedoch je nach Anwendung an Grenzen. Schmelzsicherungen können zur Wärmequelle werden und müssen nach dem Auslösen ersetzt werden. Pyrofuses ermöglichen eine schnelle Trennung, benötigen jedoch eine teure Sensorik und Ansteuerung. Klassische gasgefüllte Schütze können bei hohen Kurzschlussströmen überfordert sein. Hier bieten halboffene und hybride Schaltgeräte neue Lösungsansätze.
Ein Beispiel ist das HVR10 von E-T-A. Das hybride Hochvoltrelais kombiniert ein mechanisches Kontaktsystem mit lichtbogenunterdrückender Elektronik. Dadurch schont es die Kontakte, hält den Übergangswiderstand über die gesamte Lebensdauer niedrig und schaltet hohe Ströme zuverlässig. (Hier geht's zum Datenblatt des HVR10.)
Zwei Prototypen zeigen das Lösungsspektrum
E-T-A entwickelt auch Plattformen, die das Schalten und Schützen stärker integrieren. Der HV-Schutzschalter HVB10 verfolgt einen elektromechanischen Ansatz. Er schaltet Plus- und Minuspol der Batterie und verbindet die Funktion eines Schützes mit integriertem Überstrom- und Kurzschlussschutz. Dadurch kann eine separate Schmelzsicherung oder Pyrofuse entfallen. Der Schutz arbeitet ohne elektronische Sensoren, Mikrocontroller oder Software. Damit verhält sich der HVB10 wie eine passive Sicherheitskomponente, beispielsweise eine HV-Schmelzsicherung. Zusätzlich bietet er eine verlässliche galvanische Trennung, unabhängig von der Höhe des Fehlerstroms. Je nach Fehlerfall lässt sich das Gerät zurücksetzen. Wird die Ursache isoliert, können nicht betroffene Verbraucher wieder in Betrieb gehen. (Hier geht's zum Datenblatt des Prototyps HVB10.)
Am anderen Ende des Spektrums steht das HV-SSR, ein Halbleiter-Schutzschalter auf Basis moderner Junction Field Effect Transistor (JFET)-Technologie. Seine Stärke ist die extrem kurze Clearing Time: Zwischen Kurzschlussereignis und Trennung des Stromkreises liegen weniger als zehn Mikrosekunden. Dadurch steigt der Kurzschlussstrom nicht auf kritische Werte an. Zudem lässt sich das HV-SSR nahezu unbegrenzt oft zurücksetzen. Eine integrierte Pre-Charging-Funktion ersetzt Vorladeschütz und Vorladewiderstand, was Bauraum, Bauteile und Komplexität reduziert. (Hier geht's zum Datenblatt des Prototyps HV-SSR.)
Der HVB10, das hybride HVR10 und das HV-SSR stehen beispielhaft für grundlegend verschiedene Lösungsansätze mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen. Gleichzeitig verdeutlichen sie die große Bandbreite an Lösungen, die E-T-A im Bereich der Hochvolt-Absicherung bietet.
Teaserfoto: © rasica – stock.adobe.com
