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EV Charging - Elektromechanik für Ladestationen

Der Aufbau einer leistungsfähigen Ladeinfrastruktur für die E-Mobility schafft ein neues Wachstumsfeld für den Einsatz hochwertiger elektromechanischer Bauteile. Dazu zählen nicht nur Relais, sondern auch Sicherungen, Schalter und Komponenten für das Wärmemanagement.

Die Automobilbranche steht vor der Herausforderung, Umweltschutz als eines der wichtigsten Themen unserer Gesellschaft umzusetzen und die Emissionen zu verringern. Das wird wohl nur mit elektrischen Antrieben gelingen. So könnten bis 2030 laut einer Studie von McKinsey bereits rund 120 Millionen Elektrofahrzeuge in China, der EU und den Vereinigten Staaten zugelassen sein. Der Bedarf an Ladeenergie wird von rund 20 Milliarden Kilowattstunden im Jahr 2020 auf 280 Milliarden Kilowattstunden 2030 steigen. Dafür sind voraussichtlich etwa 40 Millionen Ladegeräte erforderlich, davon allein 15 Millionen in Europa.

Führende Automobilhersteller haben bereits einen Investitionsplan für den Aufbau von 400 Ladestationen in Europa angekündigt. Auch im Rahmen des aktuellen Konjunkturpaketes der Bundesregierung findet sich eine klare Ausrichtung hin zur Elektromobilität. Zusätzlich sollen rund 2,5 Milliarden Euro in den Ausbau der Ladesäulen-Infrastruktur fließen.

Für den anstehenden Wandel und den Aufbau einer leistungsfähigen Ladeinfrastruktur rüsten Hersteller wie BMW, VW, Mercedes und Audi bereits ihre Produktionsstätten um und bereiten ihre Mitarbeiter mittels Schulungen und Zertifikationen darauf vor.

Relais-Typen im Einsatz an Ladesäulen

Sowohl für Elektroautos wie auch für die Ladestationen ist eine Vielzahl elektromechanischer Bauelemente nötig. Die verschiedenen Typen von Ladesäulen werden durch IEC 61851-1 definiert. Ihre Einteilung erfolgt anhand von Stromversorgungskriterien und der elektronischen Kommunikation zwischen Ladesäule und Elektroauto. Welche elektromechanischen Bauteile hier zum Einsatz kommen, hängt vom jeweiligen Ladesäulen-Typ ab.

Ladestationen nach Mode 1 und 2, die mit Wechselspannung arbeiten, beinhalten kaum Elektronik. Hier übernimmt der On-Board Charger (OBC) im Fahrzeug die Steuerung des Ladezyklus.

Mode-3-Ladestationen benötigen ein Relais zum Schalten der Wechselspannung. Wie bei anderen Ladesäulen, die mit Wechselspannung arbeiten, begrenzt auch hier der OBC die Ladeleistung. Die Anforderungen an das Relais umfassen 230 V/400 V (laut IEC 60664-1) und Überspannungskategorie 4. Zwischen den Kontakten ist also ein Abstand von mindestens 3 mm einzuhalten. Einige Hersteller bieten entsprechende Produkte, z.B. sind von Hongfa Relais mit 35 A und 3,6 mm (HF170F), 65 A und 3 mm (HF176F) sowie 90 A und 3 mm (HF167F) bei Rutronik erhältlich, von Omron ein Modell mit 36 A und 3,2 mm (G6QE).

Um das Problem der langen Wartezeit beim Laden zu lösen, geht der Trend in Richtung DC-Schnellladesäulen (Mode 4). Hier steckt der größte Teil der Elektronik in den Ladesäulen, nicht im Fahrzeug. Der OBC im Auto wird überbrückt. Der Ladevorgang findet direkt über die Ladestation statt, da diese Gleichspannung liefert. In den Mode-4-Ladesäulen kommen verschiedene Relais zum Einsatz:

Das Main-Relais deckt einen Strombereich von 80 bis 600 A ab und wird meist zum Trennen der Batterie verwendet. Entsprechende Modelle bieten Hongfa (HFE18V-300, HFE82V-250V) und Omron (G9TB).

Das Fast-Charge-Relais steuert den Schnelladevorgang; Nennströme liegen zwischen 32 und 600 A. Geeignete Relais sind bei Rutronik von Hongfa (HFE18V-600) erhältlich.

Das HV-Pre-Charge-Relais wird im Vorladekreis verwendet. Hier lässt sich z.B. das HFE80V-20B von Hongfa einsetzen.

Relais für "Auxiliary Applications" (Bild 1) kommen hauptsächlich in Klimaanlagen, Heizungssystemen, DC/AC-Wandlern usw. zum Einsatz. Ihre typische Nennleistung liegt zwischen 20 und 40 A. Auch hierfür hat Hongfa mit dem HFE18-200 ein passendes Produkt im Portfolio.

Anforderungen an die Relais

Um sich für den Automotive-Einsatz zu qualifizieren, müssen die Relais über kompakte Maße und spezielle technische Spezifikationen verfügen. Elektromotoren benötigen eine sehr hohe Leistung, die aber auch Gefahren mit sich bringt. Deshalb ist hier ein sicheres Schalten erforderlich, das heißt, die Relaiskontakte dürfen nicht oxidieren. Um dies auszuschließen, haben die Hersteller Relais entwickelt, die mit Gas (meist Wasserstoff) gefüllt sind. Damit lassen sich ein geringerer Kontaktwiderstand aufrechterhalten, Verlustleistungen vermeiden und ein Ausfall des Relais verhindern. Die Relais der Premium-Hersteller Omron und Hongfa erfüllen diese Anforderungen und lassen sich in fast allen Applikationen einsetzen - ob in Elektro- oder Hybridautos, in 48-V-Batteriesystemen oder Ladestationen.

Sicherungen

Da sich in Ladesäulen hohe Spannungen und Ströme finden, ist es erforderlich, sowohl den Menschen als auch die Bauteile zu schützen. SMD-, Cartridge- und High-Voltage-Sicherungen sind nur einige wenige der hier erforderlichen Bauteile.

Je nach Ladesäulen-Typ bestehen andere Anforderungen. Die Ladestationen mit Mode 1 bis 3 kommen im Normalfall für den privaten Gebrauch am eigenen Haus zum Einsatz. Mode-4-Schnelladestationen sind hingegen auf öffentlichen Plätzen wie Supermärkten oder Tankstellen installiert und benötigen einen Starkstromanschluss. Da sie die Wechselspannung auf der Eingangsseite in eine Gleichspannung auf Ausgangsseite transformieren, brauchen beide Stromkreise eine Absicherung.

Die Schnellladestationen bestehen aus extrem empfindlichen Leistungshalbleiterkomponenten, die durch Störfaktoren wie Spannungsimpulse und Überstromzustände beeinträchtigt werden können. Spezielle Hochgeschwindigkeitssicherungen, wie die PSR-Baureihe von Littelfuse (Bild 2) für den DC Output, sind exakt dafür entwickelt. Sie sind außerordentlich strombegrenzend und haben eine hervorragende Zyklenfähigkeit. Die Sicherungen der JLLS-Serie von Littelfuse eignen sich ideal für den Wechselspannungs-Eingangskreis (AC Input). Sie sind ebenfalls stark strombegrenzend und unterbinden Kurzschlussströme schneller als andere mechanische Schutzvorrichtungen. So schützen sie Geräte mit überspannungsempfindlichen Bauteilen, z.B. den Gleichrichter. Beide Typen zählen zu den kompaktesten Sicherungen mit über 30 A. Neben Littelfuse bietet auch Eaton vergleichbare Modelle.

Effizientes Wärmemanagement

Die hohen Leistungen sorgen für viel Wärme innerhalb der Elektronikbauteile; dazu können bei den Ladesäulen noch hohe Außentemperaturen kommen. Dadurch können Funktion und Lebensdauer der Bauelemente erheblich beeinträchtigt werden. Ein effizientes Wärmemanagement ist deshalb unabdingbar. Rutronik bietet hierfür vielfältige Lösungen an, darunter Wärmeleitfolien, Kühlkörper und Lüfter von führenden Herstellern wie 3M, Delta Electronics, Fischer Elektronik, Assmann WSW, Jamicon und Adda. Die Produkt- und Applikationsspezialisten unterstützen kompetent bei der Auswahl der geeigneten Komponenten.

Schalter und Metalltastaturen

Für die benutzerfreundliche Bedienung von Ladestationen sorgen bedarfsgerechte Schalter und Metalltastaturen für den Automobilbereich. Über eine Metalltastatur lässt sich zum Beispiel die Authentifizierung mit Pin-Eingabe realisieren; Mikroschalter kommen z.B. zum Starten des Ladevorgangs an der Ladepistole zum Einsatz.

Da sich Ladestationen in rauen Umgebungsbedingungen beweisen müssen, etwa an Tankstellen oder Supermärkten, benötigen sie eine sehr robuste Metalltatstatur, die auch bei Regen und verschiedenen Umgebungstemperaturen funktioniert. Die IP-Line von Knitter Switch kommt mit einem Schutzgrad von bis zu IP69K und einer Stoßfestigkeit von IK08. Die Tastaturen sind auch in kundenspezifischen Ausführungen erhältlich und bieten eine sehr hohe Designfreiheit.

Zum Schutz vor mutwilliger Beschädigung sind vandalensichere Druckschalter mit kratzfestem Aktor und einem Gehäuse aus robustem Edelstahl gefragt. Die Metall-Pushbuttons von C&K beispielsweise halten mit einem Schutzgrad von IP67 sowie einer Stoßfestigkeit von IK10 extremen Außenbedingungen und Vandalismus stand. Zudem sind die Schalter mit Beleuchtung in verschiedenen Farben und mit Beschriftung am Aktor erhältlich.

Die kurze Aufstellung zeigt: Elektromechanische Komponenten in Ladesäulen tragen von der Bedieneinheit bis zum Übergabepunkt zum Elektroauto, dem Ladestecker zur Umsetzung der E-Mobility bei - und damit zu einer Reduzierung der CO2-Emissionen.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Figure 1: The HFE18-200 relay from Hongfa is perfect for auxiliary applications.
Bild 1: Das Relais HFE18-200 von Hongfa eignet sich bestens für Auxiliary-Anwendungen.