Zurücksetzbarer Hochspannungsstromschutz für Batterieelektrofahrzeuge der nächsten Generation

Sponsert von Eaton

Die Architekturen von batteriebetriebenen Fahrzeugen entwickeln sich weiter. Höhere Ladegeschwindigkeiten, mehr gespeicherte Energie, bidirektionaler Leitungsfluss sowie kompaktere Bauweisen erhöhen die Anforderungen an den Schutz von Hochspannungs-DC-Schaltkreisen.

Traditionelle Schutzarchitekturen, die Kontaktoren, Sicherungen und pyrotechnische Geräte koordinieren, wurden für frühere BEV-Plattformen entwickelt. In einigen Anwendungen bleiben sie weiterhin wirksam, doch höhere Fehlerenergien, schnellere Fehlerentstehung sowie größere Systemkomplexität können den verfügbaren Gestaltungsspielraum verringern.

Dieser Artikel erläutert, wie sich das Fehlerverhalten von BEV-Fahrzeugen verändert, wo herkömmliche Schutzstrategien zunehmend eingeschränkt sein können und warum einige Architekturen der nächsten Generation von einem integrierteren und zurücksetzbaren Ansatz profitieren könnten.

BEV-Architekturen übertragen mehr Energie in höherem Tempo

Die aktuellen BEV-Plattformen unterscheiden sich erheblich von früheren Generationen. Mehrere Trends verändern die elektrische Architektur:

Höhere Laderaten aufgrund von Anforderungen an schnelles Laden

Mehr gespeicherte Energie zur Erhöhung der Reichweite

Kompaktere Batterieverpackungen, die die thermische und elektrische Dichte erhöhen

Zweirichtiger Leitungsfluss (V2L, V2H und V2G), der die Fehlermöglichkeiten erweitert

Höhere Systemspannungen, einschließlich Plattformen von 400 V und 800 V sowie darüber hinaus

Zusammen führen diese Entwicklungen zu einer erhöhten Energiemenge, die über kompakte Systeme übertragen wird. Daher können Schutz- und Schalteinrichtungen unter höherem Stress, kürzeren Reaktionszeiten sowie einer breiteren Palette von Fehlbedingungen bei Gleichstrom über Hochspannungsleitungen (HVDC) betrieben werden müssen.

Das Fehlverhalten bei HVDC ändert sich

HVDC-Fehler sind nichts Neues. Was sich geändert hat, ist der Kontext, in dem sie auftreten. Höhere gespeicherte Energiemengen, schnellere Aufladung sowie dichteres Packaging können dazu führen, dass Fehler schneller eskalieren. In einigen Architekturen müssen Ingenieure nicht nur mit höheren Fehlstromstärken, sondern auch mit schnellerer Fehlerentwicklung, kürzeren Entscheidungszeiten sowie einer größeren Energiemengeübertragung in den ersten Millisekunden eines Ereignisses umgehen, darunter:

Schnelles Ansteigen des Fehlstroms

Höhere Schwierigkeit bei der Löschung der Energie eines Gleichstrombogens

Kürzere Zeit für Schutzentscheidungen

Höhere Folgen bei Fehlklassifizierung oder verzögertem Reagieren

Sobald die Systemenergie und die Ladeleistung zunehmen, müssen einige Anwendungen möglicherweise Kurzschlussströme im Bereich von 20 kA bis 30 kA oder höher berücksichtigen. Gleichzeitig kann der normale Schnellladestrom Werte erreichen, die den Spielraum zwischen normaler Betriebsweise und Reaktion auf Störungen verringern.

Dies kann das Betriebsfenster der Schutzgeräte einschränken.

Unter diesen Bedingungen müssen die Geräte ein breiteres Spektrum an Betriebs- und Störungsszenarien bewältigen, darunter:

Kontinuierlicher hoher Strom während des Ladens

Schnelle Unterbrechung eines hohen Störstroms

Vorhersehbares Verhalten bei Transienten, Signalfehlern, Kommunikationsverlusten und Hilfsfunktionsausfällen

Beschränkungen in herkömmlichen Schutzarchitekturen

Schmelzsicherungs- und Kontaktorarchitekturen

Der herkömmliche Schutz bei BEV-Fahrzeugen setzt auf sequentielle Koordination:

Erkennung durch BMS und Sensoren

Auslösung über Kontaktoren

Schutz durch Schmelzsicherungen

Dieses Modell geht davon aus, dass genügend Zeit für Erkennung, Signalisierung und Übergabe zwischen den Komponenten vorhanden ist. Mit steigendem Betriebsstrom und Ladeleistung kann dieser Spielraum schrumpfen. Unter diesen Bedingungen wird es zunehmend schwierig, in allen erwarteten Szenarien eine zuverlässige Sequenzierung aufrechtzuerhalten, wodurch mehrere Einschränkungen deutlich werden.

Koordinationslücken zwischen Erkennungs-, Schalt- und Unterbrechungsfunktionen

Kontaktoren dürfen nicht so optimiert sein, dass sie eigenständig hocheffiziente Gleichstromfehler unterbrechen können.

Potenzial für Kontaktkleben und Verschlechterung der Isolationsleistung unter extremen Fehlbedingungen.

In einigen Fällen passt die Reaktion der Sicherung möglicherweise nicht zur schnelleren Dynamik des Fehlers.

Verringertes Konstruktionspolster bei steigendem Systemspannungsniveau, -strom und gespeicherter Energie.

Diese Überlegungen deuten nicht unbedingt auf einen Konstruktionsfehler hin. In vielen Fällen spiegeln sie Architekturen wider, die näher an den während früherer Entwurfsphasen angenommenen Grenzen arbeiten.

Pyrotechnische Schutzmethoden

Pyrotechnische Geräte können einige Probleme bei der Zündkabelkoordination lösen, indem sie den Schaltkreis öffnen. Je nach Umsetzung können sie außerdem eine andere Reihe von Einschränkungen mit sich bringen.

Absicherung durch externe Auslösung: In vielen Konstruktionen hängt der Betrieb von einem Auslösesignal eines anderen Systems ab.

Einsatz nur einmal: Nach der Aktivierung kann ein Wartungseingriff sowie der Austausch von Komponenten erforderlich sein.

Schnellere Auslöseanforderungen: Zukünftige Batteriesysteme könnten je nach Architektur und Fehlerfall Reaktionszeiten in Höhe von Hunderten von Mikrosekunden erfordern.

Zusätzliche Komplexität des BMS sowie damit verbundene Kosten.

Möglichkeit zu störenden Aktivierungen: Wenn die Bewertungsfenster sehr kurz werden oder die Systemeingänge unklar sind.

Sobald die Fehlerenergie zunimmt, müssen Entwerfer möglicherweise ein Gleichgewicht zwischen frühzeitigem Eingreifen und dem Risiko eines Handelns auf der Grundlage unvollständiger Informationen finden.

Die Schutzeigenschaften hängen zunehmend von der Architektur ab

In früheren EV-Plattformen war der Schutz der Stromkreise größtenteils eine Entscheidung auf Komponentenebene. Ingenieure wählten Kontakte, Sicherungen oder pyrotechnische Geräte anhand ihrer Leistungsdaten aus und koordinierten sie anschließend mit Zeitfenstern sowie externer Steuerlogik. Wenn die Grundanforderungen erfüllt waren, konnten viele Kombinationen funktionieren. Bei einigen modernen BEV-Architekturen bietet dieser Ansatz allein möglicherweise nicht mehr ausreichend Puffer.

Die Schutzeigenschaften können davon abhängen, wie Erkennung, Umschaltung, Unterbrechung, Kommunikation und Stromverfügbarkeit unter extremen Bedingungen miteinander interagieren. Wenn diese Funktionen bei der Konzeption nicht aufeinander abgestimmt sind, reichen allein die Spezifikationen der Komponenten möglicherweise nicht aus, um das gewünschte Niveau an Schutzeigenschaften zu erreichen.

Der Schutz von Schaltkreisen wird zunehmend durch die Systemarchitektur bestimmt und nicht nur durch die Einzelspezifikationen der Komponenten. Das Schutzkonzept beeinflusst die Reaktion auf Störungen, die Abhängigkeiten zwischen Untersystemen, die Wiederherstellungsfähigkeit sowie die Betriebsbereitschaft des Fahrzeugs.

Eine für zukünftige BEV-Plattformen vorgesehene Schutzarchitektur sollte:

eine höhere Spannung, einen höheren Strom sowie mehr gespeicherte Energie berücksichtigen

Erkennungs-, Umschalt- und Schutzfunktionen dort integrieren, wo es angebracht ist

eine vorhersehbare Reaktion innerhalb des definierten Störungsbereichs gewährleisten

Sicherstellen Sie einen sicheren Betrieb durch begrenzte Abhängigkeit von externen Auslöseketten.

Verringern Sie soweit wie möglich die Abhängigkeit von einmalig verwendbaren Schutzkomponenten.

Erlauben Sie bei Bedarf eine Wiederherstellung nach nicht-katastrophalen Ereignissen.

Integrierte Schutzarchitekturen

Eine andere Herangehensweise entsteht, bei der Schutzfunktionen und Schaltvorgänge in einem einzigen, selbstständigen Gerät integriert werden. Im Vergleich zu Architekturen, die separate Kontakte, Sicherungen und pyrotechnische Geräte koordinieren, beseitigen integrierte Ansätze durch ihre Konstruktion alle Koordinationsabhängigkeiten.

Kombinieren Sie Erkennungs-, Unterbrechungs- und Trennfunktionen in einem Gerät

Verringern Sie in einigen Implementierungen die Abhängigkeit von der Zeitsteuerung des BMS sowie von externen Auslöseketten.

Reagieren Sie autonom auf definierte Fehlerbedingungen mit hoher Gleichstromleistung.

Bieten Sie in einigen Anwendungen eine konsistentere Reaktion auf definierte Fehlerbedingungen.

Auslöschbare Schutzfunktionen und Wartbarkeit

Viele Störungen in der Praxis sind nicht katastrophal, wie im Folgenden dargestellt.

Fehler bei Ladestationen

Ausfall der Kommunikation in Hilfsystemen

Vorübergehende Überschussströme

Falsche Messwerte oder Ausfälle der Sensoren

Auch bei Schutzlösungen für einmalige Verwendung können diese Ereignisse zu Folgendem führen:

Steckengebliebene Fahrzeuge

Kostenintensive Ersatzteilverkäufe

Austausch von Akkupaketen

Unklare Haftungsfragen zwischen Fahrzeug, Stromnetz und Ladeinfrastruktur

Ein zurücksetzbarer Schutzansatz ermöglicht die Wiederherstellung nach beherrschbaren Ereignissen, sichert die Verfügbarkeit von Unterstützungsfahrzeugen und erlaubt es, bestimmte Wartungshandlungen auf geplante Wartungsintervalle zu verschieben. Dadurch können Ausfallzeiten sowie die Gesamtbetriebskosten erheblich reduziert werden.

Bewertungsfragen für Ingenieurteams

Da der Schutz zunehmend von der Architektur abhängig wird, sollten Ingenieurteams auch darüber nachdenken, wie Technologien und Lieferanten bewertet werden. In der Praxis bedeutet das, Fragen wie folgende zu stellen:

Welche Fehlerkonstellationen existieren im gesamten Ökosystem – Fahrzeug, Stromnetz und Ladeinfrastruktur?

Wie oft werden Schutzgeräte in der Realität auf solche Ereignisse stoßen?

Welche Fehler sollten eine Wiederherstellung ermöglichen und welche nicht?

Ist die Schutzfunktion selbstständig, oder hängt sie von externen Systemen und Zeitabläufen ab?

Kann die Technologie mit zukünftigen Energieleistungen von BEV-Fahrzeugen Schritt halten?

Ist die Reaktion des Systems vorhersehbar und wiederholbar?

Fazit

Die elektrischen Systeme von BEV-Fahrzeugen entwickeln sich auf eine Weise, die die für frühere Plattformen entwickelten Schutzarchitekturen herausfordert. Mit steigenden Energieleistungen, Ladeleistungen und Systemkomplexitäten müssen möglicherweise auch die Schutzstrategien angepasst werden.

Herkömmliche Ansätze stoßen auf zunehmende Einschränkungen – nicht weil sie schlecht konzipiert sind, sondern weil sich die Systemannahmen ändern. In einigen Anwendungen können Koordinationslücken größer werden, Abhängigkeiten zunehmen und die verfügbare Reaktionszeit schrumpfen.

Integrierte, zurücksetzbare Schutztechnologien stellen einen Wandel von Einmalkomponenten hin zu sicherheitsrelevanten Funktionen auf Architekturebene dar. Durch die Vereinfachung bestimmter Aspekte der Fehlerbehandlung, die Reduzierung ausgewählter Abhängigkeiten sowie die Möglichkeit zur Wiederherstellung in definierten Szenarien bieten sie eine nachhaltigere Grundlage für Plattformen neuerer Generationen von Elektrofahrzeugen.

Produkte mit Breaktor-Schutzschaltungen

Batterietrennvorrichtung

Die Batterietrennvorrichtung (BDU) ist darauf ausgelegt, die Energie effizient im gesamten EV-System zu verteilen. Durch die Integration von Breaktor bietet die BDU eine verbesserte Qualität sowie eine vereinfachte Architektur, indem sie Stromumschaltung und zurücksetzbaren bidirektionalen Kurzschlussschutz mit schneller Aktivierung (bis zu 900 V) kombiniert.

Durch die Möglichkeit, bis zu 15 Komponenten der BDU-Komplettanlage zu reduzieren, senken Breaktors integrierter Spulenantrieb, der Energieeinsparer sowie die Erfassungs-/Auslöseschaltung die Gesamtkosten und Komplexität. Zudem tragen das selbstauslösende Design, die Diagnoseelektronik sowie der Spiegelkontakt dazu bei, höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

FLEX-Stromverteileranlage

Die nächste Generation der hochspannungsintelligenten FLEX-Stromverteileranlage (FLEX PDU) überwacht und steuert alle an Leistungselektronik zugeführten Ströme und bietet eine zentrale Schutzfunktion für das Stromsystem von Hybrid-, Wasserstoff- sowie rein batteriebetriebenen Nutzfahrzeugen. Die vollständig anpassbare FLEX PDU kann den Anforderungen eines Nutzfahrzeugs angepasst werden und mit Breaktor integriert werden. Dadurch wird eine integrierte Überschutzfunktion für hohe Leistungslasten wie Antriebsumwandler und DC-Schnellladungen ermöglicht.

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