Fokus auf Kurzschluss-Festigkeit und Schaltgeräusch
HV-Relais für E-Cars/Hybrid-Kfz: Forderung nach kleiner und damit auch leichter
Bei Hochvolt-Relais für E-Cars und Hybrid-Kfz »spielen Bauraum und Gewicht der Haupt-Kontaktoren eine immer wichtiger werdende Rolle«, erläutert TE-Manager Hans-Joachim Faul. Daneben richte sich das Augenmerk zunehmend auf die Kurzschluss-Festigkeit und das Schaltgeräusch.
Weitere wichtige Aspekte bei der Entwicklung von HV-Relais »sind die Schwing- und Schockfestigkeit, die bei den Hochvolt-Kontaktoren ähnlich wichtig ist wie bei konventionellen 12-V-Relais«, betont Faul, Product Director Automotive Relays bei TE Connectivity. Vergleiche man die Anforderungen an die Relais für reine E-Fahrzeuge und Hybrid-Kfz, so seien diese »nicht grundsätzlich« unterschiedlich. Jedoch seien die Betriebsbedingungen bei reinen E-Fahrzeugen »oft anspruchsvoller« als bei Hybridfahrzeugen. Und weil die Forderung nach noch kleiner und noch leichter auf der Tagesordnung der Kunden stehe, werde es wie bei anderen Relaistypen »auch im xEV-Bereich weitere Innovationen« geben.
Neben Bauelementen, die den Platzbedarf und das Gewicht der Bordelektrik zu verringern helfen, »wünschen sich die Kfz-Hersteller eine größere Flexibilität beim Schaltungsdesign«, sagt Jürgen Schönauer, European Relay Technology Manager bei Omron Electronics Components Europe. Durch Design-Neuerungen bei Hochleistungs-DC-Relais werden nicht nur die Abmessungen und das Gewicht dieser Bauelemente reduziert: »Weil sie ungepolt sind, vereinfacht das auch die Integration«. Der ungepolte Kontaktstromkreis (Kontaktanschluss) sorge dafür, dass das Relais kompakter, leichter sowie einfacher verdrahtbar und montierbar sei. Das erste mit dieser Technologie ausgestattete Relais ist das Omron G9EN, eines der »industrieweit kleinsten und leichtesten« Hochkapazitäts-DC-Leistungsrelais. Adressiert werden mit dem G9EN Hybrid- und Brennstoffzellenautos und andere Elektrofahrzeuge.
Das G9EN ist nur halb so groß (28 x 40 x 50 mm) und halb so schwer (140 g) wie vergleichbare Relais-Vorgänger von Omron und nutzt eine neue proprietäre Dichtungstechnologie und ein neues magnetisches Steuerungsverfahren. Ein DC-Leistungsrelais umschließt Druckgas, das durch Kühlung die Lichtbogenbildung vermindert. In der Regel hält ein Keramikgehäuse das Druckgas unter Verschluss. »Wir erzielen die Größen- und Gewichtsreduktion durch den Wechsel bei der Abdichtung von einem herkömmlichen boxförmigen Keramikgehäuse zu einer Kombination aus Keramikscheibe und Metallgehäuse«, sagt der Omron-Manager. Dadurch lasse sich das Innenvolumen des luftdichten Raums der Hauptstromkreisarchitektur (Hauptanschluss) beibehalten oder vergrößern.
Das Layout, die Anschlussraster und die Form des Schaltungs- und Dauermagneten-Stromkreises wurden darauf ausgelegt, den Lichtbogen zu unterdrücken, der bei der Unterbrechung von DC-Strömen bei engen Kontaktabständen entsteht. Die dadurch ermöglichte »blitzschnelle« Unterbrechung des Lichtbogens - unabhängig von der Stromflussrichtung - bedeute, dass der Hauptkontaktstromkreis (Hauptanschluss) jetzt ungepolt ist. Dank der Nicht-Gepoltheit eignet sich das Relais nun zum Einsatz in Anwendungen, die einen wechselseitigen Stromfluss erfordern (Laden/Entladen). Weiterhin bedeute es, dass eine Berücksichtigung der Montagerichtung oder die Ausrichtung des Bauteils nicht erforderlich ist, was die Verdrahtung und die Montage »erheblich erleichtert und die Gefahr einer falschen Verdrahtung reduziert«. Somit empfiehlt sich das G9EN als Haupt- und Vorlade-Relais für Hochvoltbatterie-betriebene Hybrid- und Elektrofahrzeuge (HEV) und für Batterietrenneinheiten (BDUs).
Mit »kleiner, leichter, billiger und besser« benennt Theo Reisel, Vertriebsleiter bei Hongfa Europe, die wichtigsten Kundenforderungen an HV-Relais. Allerdings stelle der hohe Schaltstrom und die hohe DC-Schaltspannung »eine große Hürde in Richtung Verkleinerung der Bauform« dar. Die Relais würden aber gepolt bleiben, weil bei monostabilen Relais der Energieverbrauch zu hoch sei. Neben Gewicht und Größe müsse wie bei allen Kfz-Relais die Schock - und Vibrationsfestigkeit der Hochstrom-DC-Relais »hervorragend« sein. Der Grund: »Wenn bei einer hohen DC-Spannung der Kontakt wegen Vibrationen zu oft öffnet, ist das ein besonderes Problem für das Relais und die Kfz-Elektronik.« Was den Wunsch nach sinkenden Preisen für die HV-Relais anbelangt, so dürfte der automatisch sinken, sobald die Stückzahlen von einer derzeit noch niedrigen Basis aus kräftig in die Höhe gehen.
Andreas Deisenrieder, General Manager Sales Germany&European Distribution bei Panasonic Electric Works Europe, führt als »einen Trend den Hilfskontakt zum Lastrelais« an. Zunehmend in den Vordergrund trete überdies der Platzbedarf und die Gewichtsproblematik der HV-Relais. Noch »ausbaufähig« sei die Schock- und Vibrationsbelastung, damit bei einem Unfall die sichere Abschaltung gewährleistet sei. Grundlegender Unterschied der HV-Relais für Hybrid-Kfz bzw. E-Cars ist die Schaltleistung, die bei reinen E-Fahrzeugen »deutlich höher ist«.
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