Lichtbogen ohne Chance

Der Autor: Patrick Spreitzer, Vorstand Geschäftsbereich Relais/Magnete, Gruner AG, Wehingen

Die 48-V-Technik stellt jedoch hohe Anforderungen an die Automotive-Elektronik, so sind beispielsweise die bisher verwendeten 12-V-Relais zum Schalten der Batterieversorgung für die neue Architektur nicht mehr geeignet. Trennelemente aus dem Hochvoltbereich stellen hingegen keine wirtschaftliche Lösung dar. Die baden-württembergische Gruner AG hat daher eigens für das neue Bordnetz ein leichtes und kompaktes 48-V-Relais entwickelt, das eine galvanische Trennung zwischen Antriebs- und Lastkreis garantiert und Schalt-Lichtbögen zuverlässig unterdrückt. Es kommt im Gegensatz zu Hochvoltgeräten ohne teure Schutzgasfüllung und Löschmagnet aus und erlaubt eine besonders einfache kundenseitige Adaptierung. Durch die symmetrische Kontaktbaugruppe muss nicht auf die Stromrichtung geachtet werden und das Diagnosepotenzial lässt sich an mehreren Stellen abgreifen. Zudem kann zwischen mono- und bistabilen Antriebssystemen gewählt werden.

„Die größte Herausforderung bei einer Bordnetzspannung von 48 V ist es, das Potenzial in einem Stör- beziehungsweise Crashfall sicher zu trennen. Eine galvanische Trennung ist dabei zwingend notwendig“, so Patrick Spreitzer, Vorstand Geschäftsbereich Relais/Magnete bei der Gruner AG. Mit den heutigen Halbleiterlösungen kann dies jedoch nicht garantiert werden, sodass stattdessen mechanische Relais eingesetzt werden müssen. Allerdings ist es derzeit für Automobilhersteller und Zulieferer im Bereich Batteriemanagement schwierig, geeignete Komponenten für diesen Anwendungsfall zu bekommen, da die neuen Anforderungen eine Nutzung der 12-V-Relais unmöglich machen. Daher greift der Markt bislang auf Trennelemente aus dem Hochvoltbereich zurück, die jedoch keine wirtschaftliche Lösung darstellen.

„Im Gegensatz zum 12 bis 24-V-Bereich stellen bei einem 48-V-Bordnetz Schaltlichtbögen ein Problem dar“, so Spreitzer. „Im 12-V-Netz können sie leicht unterdrückt werden, bei einer Niederspannung von 48 bis 60 V ist das schon schwieriger. Aufgrund des hohen elektrischen Potenzials könnte ein Störlichtbogen nicht selbstständig erlöschen, was zu Schäden im Relais oder Fahrzeug führen könnte.“ Relais für den 400-Vdc-Bereich besitzen eine kostenintensive Schutzgasfüllung, um eine Zündung solcher Lichtbögen zu unterdrücken. In ihrem Inneren befindet sich zudem ein Permanentmagnet, der den Lichtbogen mit seinem Feld strecken und zum Erlöschen bringen soll. Dadurch wird es allerdings notwendig, die Stromflussrichtung am Relais vorzugeben, sodass der Lichtbogen durch die Lorenzkraft in die richtige Richtung oder in Richtung von Kühlrippen gestreckt wird.

Die Gruner AG, die bislang vor allem Hochstromrelais zum Schalten von Netzspannung und für 12-V-Automobilbordnetz-Anwendungen herstellt, hat nun jedoch eigens für das 48-V-Bordnetz ein Relais entwickelt, bei dem diese umständliche und teure Konstruktion umgangen werden konnte. „Das Relais kommt ohne Gasfüllung oder magnetische Löschvorrichtungen aus“, so Spreitzer. „Stattdessen sorgen bestimmte Kontaktabstände und die schnelle, temperaturunabhängige Öffnungsgeschwindigkeit dafür, dass der Lichtbogen erlischt.“ Zudem ist die Kontaktbaugruppe symmetrisch aufgebaut, sodass kundenseitig nicht auf die Stromflussrichtung geachtet werden muss. Da es somit deutlich mehr Einbaumöglichkeiten gibt, kann das neue Trennelement flexibler eingesetzt werden als andere Hochvoltgeräte. Zudem ist das Relais dadurch auch für Anwendungen prädestiniert, die eine wechselseitige Stromflussrichtung erfordern. Ein weiteres Merkmal des Gruner-Relais stellt die Abfrage der Kontaktstellung dar. Mittels einer separaten Sensorabfrage lässt sich feststellen, ob das Relais aktuell offen oder geschlossen ist. Das Diagnose-Potenzial kann dabei an mehreren Stellen der Kontaktbaugruppe abgegriffen werden. Bei Störungen ist so schnell und zuverlässig feststellbar, ob ein Fehler vorliegt.

Beim Antriebssystem des Relais kann zwischen einer mono- und einer bistabilen Lösung gewählt werden. Bei bistabilen Relais gibt es im Gegensatz zu monostabilen Relais zwei feste Kontaktstellungen, geschlossen oder geöffnet. Hierbei ist das Energieeinsparpotenzial besonders hoch, da im Gegensatz zur monostabilen Lösung lediglich für das Ändern der Kontaktstellung ein kurzer Spannungsimpuls benötigt wird und somit keine nennenswerte Verlustleistung durch die Spule entsteht. In der Herstellung bedeuten die beiden Antriebsarten nur einen minimalen Aufwandsunterschied.

Grundsätzlich zeichnet sich das 48-V-Relais durch ein sehr flexibles Design aus: Die kundenseitige Anpassung beispielsweise der Spulenadaption ist sehr einfach, da das Gesamtrelais gleich bleibt und nur der Stecker-Adapter selbst ausgetauscht wird. Zudem wiegt es nur 130 g statt der bei konventionellen Hochspannungsrelais üblichen 400 g und zeichnet sich durch eine flache und kompakte Bauform aus. „Dadurch wird in der Batterie oder im Fahrzeug, deren Bauräume eng begrenzt sind, wichtiger Platz eingespart“, so Spreitzer. „Je weniger Platz das Relais beispielsweise in einem Batteriegehäuse einnimmt, desto mehr Zellen lassen sich integrieren, wodurch eine höhere Leistungsdichte erreicht werden kann. Zudem ist das Trennelement aufgrund der kompakten Bauform und der einfachen Integration um den Faktor drei wirtschaftlicher als herkömmliche Komponenten aus dem Hochvoltbereich.“

Das 48-V-Relais von Gruner ist mit den Strom- beziehungsweise Energieanforderungen großer Trennelemente vergleichbar. Der konstruktive Aufbau wurde dabei so gestaltet, dass eine hohe Kurzschlussfestigkeit gewährleistet ist: „Wenn beispielsweise aufgrund eines Fehlerfalles kurzzeitig ein hoher Strom von mehreren tausend Ampere fließt, öffnet das Relais aufgrund der speziellen Kontaktanordnung nicht unbeabsichtigt. Das Relais kann bei Nennspannung bis zu 1,5 kA für 500 ms führen und sicher trennen“, so Spreitzer. Das neue Relais zeichnet sich zudem durch eine hohe Schockfestigkeit aus. „Auch bei Stößen muss das Relais in der definierten Schaltstellung verschlossen bleiben“, erklärt Spreitzer. „Die Automobilindustrie fordert bis zu 50 g, wir haben unsere Relais sogar bei 80 g getestet und auch dabei kam es zu keinem Ausfall.“

Gruner, Tel.: 07426 948-0, info@gruner.de