Hoch auswählen

Von Rachael Pasini | 22. Juni 2023

Von Geoff Schwartz | Geschäftsentwicklungsmanager • Littelfuse

Der Erfolg auf dem globalen Markt für Elektrofahrzeuge hängt von der Geschwindigkeit der Markteinführung ab. Es ist jedoch auch wichtig, Qualität und Funktionalität in den Vordergrund zu stellen, die ein leistungsstarkes Design ermöglichen, das die Kundenzufriedenheit steigert. Wenn Sie wissen, wie Sie Hochspannungs-Gleichstromrelais auswählen, können Sie die Konstruktion von Off-Highway-Fahrzeugen sicher und effizient gestalten.

Off-Highway-Elektrofahrzeuganwendungen erfordern Kenntnisse über Hochspannungs-Gleichstromrelais, um Sicherheitsrisiken und Geräteschäden vorzubeugen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Littelfuse.

Bei der Elektrifizierung von Fahrzeugkonstruktionen stoßen Ingenieure möglicherweise auf Anwendungen mit höheren Gleichspannungen, als sie es gewohnt sind. Bei höheren Spannungen (48 bis 1800 V) kann ein richtig ausgewähltes Schütz den Unterschied zwischen katastrophalem Ausfall und Erfolg ausmachen. Ein ordnungsgemäßes Systemdesign verringert das Risiko, dass ein Relais ausbricht, ein Feuer entsteht und eine kritische Funktion deaktiviert wird.

Ingenieure müssen die Relaistechnologie, wichtige Spezifikationen und spezielle Probleme von Hochspannungs-Gleichstromanwendungen verstehen. Bei der Auswahl von Hochspannungsrelais für EV-Anwendungen sollten Ingenieure Levitation, koordinierten Schaltkreisschutz, Schließ-/Unterbrechungsdiagramme, Polarisation und die Vermeidung bistabiler Relais berücksichtigen.

Bis vor kurzem mussten die meisten Fahrzeugkonstrukteure das Phänomen der Levitation nicht berücksichtigen, da es in Wechselstromsystemen und bei typischen Fahrzeugspannungen selten vorkommt. Bei Elektrofahrzeugen und elektrifizierten Fahrzeugsystemen erhöht jedoch die Notwendigkeit, höhere Gleichstrompegel zu schalten, das Risiko des Schwebens in Schützen. Während eines Überstromzustands kann es zu Levitation kommen, wenn das durch den Strom erzeugte Magnetfeld so stark ist, dass es den beweglichen Kontakt vom stationären Kontakt wegdrückt, was zu Lichtbogenbildung und Vibrationen führt. Diese können das Relais bis hin zu einem katastrophalen Ausfall beschädigen.

Dieses unsichere Ereignis ist eine Folge eines Stroms, der über die Spezifikation für das Relais hinausgeht. Ingenieure müssen die Stromstärke kennen, die eine Levitation verursachen kann, und sicherstellen, dass der Stromkreis geöffnet wird, bevor der Strom diesen Punkt erreicht. Ingenieure sollten außerdem einen vorgeschalteten Schaltkreisschutz spezifizieren, der schnell genug arbeitet, um ein Schweben im Relais zu verhindern.

Anstelle einer Standardsicherung, bei der es sich um ein thermisches Gerät handelt, dessen Betrieb einige Zeit in Anspruch nimmt, bietet ein pyrotechnisches Sicherheitsmodul (PSM) eine hohe Geschwindigkeit und kann eine bessere Option sein. Aufgrund der höheren Kosten beschränken sich PSMs normalerweise auf den Schutz des Hauptbatterietrennschalters.

Ein mit einem Relais koordinierter Stromkreisschutz sorgt für einen Ausgleich zwischen Fehlauslösung des Relais und übermäßiger Kontaktlichtbogenbildung. Bei einigen Hochspannungsanwendungen ist eine typische Differenz von 4 bis 5 ms möglicherweise nicht schnell genug. Ingenieure sollten relevante Daten von ihren Lieferanten einholen, um den Schaltkreisschutz mit dem Relais zu koordinieren.

Darüber hinaus sollte die Kombination aus Relais und Sicherung getestet werden, um einen starken Schutz ohne Fehlauslösungen sicherzustellen.

Je höher die Spannung, desto mehr Lichtbögen entstehen und desto länger dauert der Lichtbogen. Daher erfordern Relais mit höheren Nennspannungen eine größere Schützoberfläche und eine robustere Konstruktion, was bedeutet, dass sie tendenziell teurer und größer sind. Ingenieure können Kosten und Größe reduzieren, indem sie ein Relais mit einer niedrigeren Nenn- oder Dauernennleistung spezifizieren, wenn das Relais nur selten einer höheren Spannung als der Nennspannung ausgesetzt ist. Dies ist der Fall, wenn das Relais unter Last nicht öffnet oder schließt oder das Fahrzeug normalerweise abgeschaltet wird, bevor das Relais geöffnet wird.

Beispielsweise kann ein Techniker sicher ein 500-V- oder 800-V-Relais mit Nennspannung spezifizieren, wenn 1000 V während des gesamten Betriebs nur wenige Male auftreten, im Vergleich zu Tausenden von Schaltvorgängen bei 500 V. In der Anwendung kann das Relais eine Verbindung herstellen oder unterbrechen 1000 V nur 50 Mal im Laufe seiner Lebensdauer.

Während die maximale Nennspannung die Obergrenze darstellt, können Entwickler die Nennspannung gegen Arbeitszyklen austauschen. Um diese Entscheidung zu treffen, können Designer das Schließ-/Unterbrechungsdiagramm des Herstellers heranziehen, das die Anzahl der Schließ-/Unterbrechungszyklen zeigt, die ein Relais bei jeder Spannungs- und Stromkombination durchführt.

Konstrukteure können ein Schließ-/Unterbrechungsdiagramm verwenden, um die Zyklen eines Relais für bestimmte Spannungs-Strom-Kombinationen abzuschätzen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Littelfuse.

Polarisierte Relais verfügen über optimierte magnetische Blowouts, die die Lichtbogenlöschung maximieren. Permanentmagnete an den Seiten der Kontaktkammer erzeugen Magnetfelder, die den Lichtbogen biegen. Dadurch, dass der Lichtbogen eine längere Strecke zurücklegt, wird der Widerstand erhöht und der Lichtbogen erlischt schneller.

Durch die Polarisation werden die Schließ-/Unterbrechungsfähigkeit und die Zyklenlebensdauer erheblich verbessert, sodass polarisierte Schütze in Hochspannungsanwendungen die doppelte Zyklenlebensdauer von nicht polarisierten Schützen erhalten.

Da sie für den Betrieb mit Strom ausgelegt sind, der vom positiven Eingang zum negativen Ausgang fließt, wird die Lebensdauer erheblich verkürzt, wenn das polarisierte Relais in einem Stromkreis mit umgekehrtem Strom öffnet. Daher eignet sich ein nicht polarisiertes Schütz für Anwendungen, bei denen der Strom häufig in die umgekehrte Richtung fließt. Dennoch ist ein polarisiertes DC-Schütz in der Regel die bessere Wahl für EV-Anwendungen über 350 V.

Polarisierte Relais verwenden Magnete, um den Lichtbogen zu biegen, was den Widerstand erhöht, da der Lichtbogen eine längere Strecke zurücklegt. Ein Paar Schütze teilt den Lichtbogenstrom in zwei Hälften. Bild mit freundlicher Genehmigung von Littelfuse.

Bei der Entwicklung eines Elektrofahrzeugs befasst sich ein großer Teil der Technik mit der Energieeffizienz. Daher möchten Konstrukteure Relais auswählen, die den Energieverbrauch minimieren. Allerdings birgt die Wahl eines bistabilen (auch als selbsthaltendes) Relais in Hochspannungsanwendungen zusätzliche Risiken.

Wenn ein Stromstoßrelais im geschlossenen Zustand die Spulenspannung oder Masse verliert, kann es in der geschlossenen Position verriegelt bleiben. Dies kann zu einer gefährlichen Situation führen, in der die vom Relais gesteuerte Funktion nicht stoppt und im Stromkreis immer noch lebensgefährliche Spannung anliegt, selbst wenn die Steuerung die Stromversorgung des Relais abgeschaltet hat.

Im Gegensatz dazu öffnet ein monostabiles Relais automatisch, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Jeder andere Relaistyp birgt in den meisten Hochspannungs-Gleichstromanwendungen ein größeres Sicherheitsrisiko. Elektronische Spulen wie Doppelspulen und pulsweitenmodulierte Spulen reduzieren den Stromverbrauch der sichereren monostabilen Spulen.

Designer können schnelle Lösungen entwickeln, die die Markteinführungszeit sicher verkürzen und die Beschaffung mehrerer Komponenten vereinfachen. Umfassende Kenntnisse über Hochspannungs- und Automobilanwendungen können Ingenieuren dabei helfen, sicherere Designs zu entwickeln und schneller auf den Markt zu kommen.

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