Allgemeines
F: Was ist der Unterschied zwischen einem Relais und einem Schütz?
A: Grundsätzlich bezeichnen beide Begriffe elektromechanische Schaltelemente, die nach dem gleichen physikalischen Prinzip funktionieren: Mithilfe einer Spule wird eine magnetische Kraft erzeugt, mit der ein elektrischer Kontakt mechanisch gesteuert wird. Während der Begriff „Relais“ in verschiedenen Branchen häufig für Leistungskomponenten im Schwach- und Mittelstrombereich verwendet wird, ist im Hochstrombereich der Begriff „Schütz“ gebräuchlicher. Der magnetische „Antrieb“ wird bei Schützen normalerweise mit einem Kolben in der Mitte des Spulenkörpers realisiert. Dagegen findet bei Relais üblicherweise eine Bauweise mit Gelenkanker Verwendung.
F: Die neue Generation von Schützen arbeitet ohne Gasfüllung. Worin liegt der Vorteil von Schützen ohne Gasfüllung? Kann ein gasgefülltes Schütz bersten?
A: Um die Schaltkontakte zu schützen und ein schnelles Löschen von Schaltlichtbögen zu unterstützen, sind viele Schütze mit einem unter Druck stehenden Edelgas gefüllt. Häufig wird Stickstoff oder Wasserstoff verwendet, und auch SF6 (Schwefelhexafluorid) wird – hauptsächlich in Industrieanwendungen – eingesetzt. Auf der anderen Seite erfordert eine unter Druck stehende Gasfüllung einen deutlich höheren Aufwand beim Entwicklungs- und Fertigungsprozess, um einen zuverlässigen Einschluss des Gases für die Lebenszeit des Schützes zu gewährleisten. Da solche Schütze naturgemäß hermetisch abgedichtet sein müssen, besteht außerdem das Risiko eines Berstens, wenn sehr starke Lichtbogenbildung – bei hohen Überstromzuständen oder Kurzschlüssen – zu einem übermäßigen Gasdruck in der Kontaktkammer führt. Daher arbeiten die neuesten Schützkonstruktionen von TE ohne Edelgas, sodass auch keine hermetische Dichtung mehr benötigt wird. Diese Konstruktionen sind nach wie vor umgebungsfest vor Verunreinigung geschützt und gestatten einen Gasaustausch sowie einen Ausgleich zwischen Innen- und Außendruck. Dadurch wird das Risiko eines Berstens bei extremer Lichtbogenbildung minimiert. Gerne stellen wir Ihnen weitergehende Informationen zu den Vorzügen von nicht mit Gas gefüllten Schützen zur Verfügung. Link zum EVC 250 Video.
F: Bei welchen Anwendungen kommen Hochvoltrelais und -schütze zum Einsatz?
A: Hochvoltrelais und -schütze finden typischerweise bei den folgenden Anwendungen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen Verwendung:
- Hochvoltschütz: Verwendung in der Plus- sowie der Minus-Leitung der Antriebsbatterie. Das Hochvoltschütz verbindet/trennt die Antriebsbatterie mit/von dem gesamten elektrischen Antriebsstrang des Fahrzeugs.
- Vorladerelais: Um das Hochvoltschütz vor übermäßigen Einschaltströmen zu schützen, wird der Filter-Kondensator durch ein Vorladerelais – in Kombination mit einem Vorladewiderstand – auf typischerweise 90 % bis 98 % der Batteriespannung aufgeladen.
- Ladeschütz: Dient zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Batterieladegerät und der Antriebsbatterie, wenn das Fahrzeug mit einer Ladestation verbunden wird.
- Hilfsschütze: Diese steuern andere elektrische Verbraucher im Fahrzeug, die von der Hochvoltbatterie gespeist werden. Ein typisches Beispiel ist die elektrische Heizung des Fahrgastraums eines reinen Elektrofahrzeugs, bei dem für diesen Zweck keine Abwärme des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht.
Zudem finden Hochvoltschütze aus dem Automobilbau mitunter auch in stationären Systemen wie DC-Ladestationen, stationären Batterielagerungssystemen, USV-Systemen usw. Verwendung.
Elektrische Leistung
F: Für welche Leistungsbereiche können Schütze eingesetzt werden?
A: Das Schützportfolio von TE umfasst Hochleistungsprodukte für die Anforderungen der leistungsstärksten batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge mit Spitzenleistungen von bis zu 500 kW ebenso wie Miniaturprodukte für den geringen Energiebedarf von in Reihe geschalteten Verbrauchern oder Vorladeanwendungen.
F: Welchen Dauerstrom können Schütze vertragen?
A: Grundsätzlich ist die Strombelastbarkeit nur durch die interne Wärmeableitung und das Wärmemanagement beschränkt. Die Verlustleistung bewirkt eine Zunahme der Temperatur der internen Komponenten des Schützes, die nach außen transportiert wird. Dieser Temperaturanstieg an der Außenseite bestimmt die maximale Strombelastbarkeit eines Schützes. TE empfiehlt, die Endtemperatur der Kontaktklemmen dauerhaft 150 °C nicht übersteigen zu lassen. Die Effektivität des Kühlmechanismus hängt vom Querschnitt bzw. dem thermischen Widerstand des außen angeschlossenen Leiters und der Umgebungstemperatur ab. Die Wärme wird über die elektrischen Verbindungen an die Umgebung abgegeben. Bei konstantem Stromfluss erreicht das System nach etwa 3 bis 5 Minuten einen stabilen Zustand. Beispiel: Über 50-mm²-Sammelschienen angeschlossen kann das Schütz EVC 250 bei einer Umgebungstemperatur von 85 °C mit 250 A belastet werden. Bei 125-mm²-Sammelschienen erhöht sich dieser Maximalwert auf 375 A.
F: Welchen Überlaststrom können Schütze vertragen?
A: Der Wärmeleitprozess ist zu langsam, als dass Spitzenbelastungen von wenigen Sekunden Dauer zu einer relevanten Änderung der Klemmentemperatur führen würden. Bei länger andauernder Überbelastung kann der Temperaturanstieg im Inneren des Schützes irreversible Schäden hervorrufen. So kann beispielsweise das Schütz EVC 250 für bis zu 20 Sekunden mit 1500 A oder für bis zu 5 Sekunden mit 2000 A belastet werden. Für weitere Informationen und Unterstützung wenden Sie sich bitte an TE Connectivity.
F: Was geschieht bei einem Kurzschluss?
A: Bei einem Kurzschluss generiert der ansteigende Strom eine Rückstoßkraft, die die Haltekraft der Kontakte überschreiten könnte. Wenn das Sicherungselement nicht einwandfrei auf die Strombelastbarkeit und das Stromunterbrechungsvermögen des Schützes abgestimmt ist, können die Kontakte verschweißen oder übermäßige Lichtbogenbildung zu einer thermischen Zerstörung des Schützes führen. Die maximale Strombelastbarkeit des Schützes EVC 175 beträgt 5000 A. Beim Schütz EVC 250 beträgt sie 6000 A. Bei einem Kurzschluss mit mäßigen Überströmen ist die Auslösezeit des Sicherungselements zu lang, um das System vor schweren Schäden zu schützen, weshalb das Schütz den Überstrom unterbrechen muss. Ein einzelnes Schütz kann Ströme von bis zu 2000 A bei 400 V binnen Millisekunden unterbrechen. Da der Stromkreis normalerweise zwei Schütze aufweist, empfehlen wir, diese gleichzeitig zu öffnen, wodurch das maximale Unterbrechungsvermögen bei 400 V mit 6000 A angesetzt werden kann.
F: Welche Faktoren bestimmen den Wirkungsgrad der Spule? Welche Anforderungen sind an den Spulentreiber zu stellen?
A: Das Trennen hoher Spannungen erfordert große Kontaktabstände. In geöffneter Stellung hält die Arretierfeder den Anker zurück, um für eine angemessene Stoßbeständigkeit zu sorgen. Um diese großen Kontaktabstände und Kräfte zu überwinden, muss ein starker magnetischer Fluss erzeugt werden. Um die erforderlichen Kräfte aufbringen zu können, besitzen Spulen konstruktionsbedingt einen relativ geringen Widerstand. Aus diesem Grund sollten die Treiber Ströme von bis zu 6 A liefern können. Derart hohe Ströme dürfen nur zum Schließen der Kontakte angelegt werden; anschließend muss der Strom reduziert werden, um ein Überhitzen der Spule zu vermeiden. Sobald die Kontakte geschlossen sind und der Anker sich in seiner Raststellung befindet, ist für das Halten des Ankers in seiner Stellung nur noch ein um eine Größenordnung geringerer magnetischer Fluss erforderlich. Diese Reduktion der Spulenbestromung kann durch eine externe Sparschaltung oder eine interne Booster/Hold-Spulenkonfiguration realisiert werden.
F: Was ist beim Betrieb eines Schützes mit einer externen Sparschaltung zu beachten?
A: Die Funktion der externen Sparschaltung sollte frühestens 100 ms nach Anlegen des Stroms an die Spule einsetzen. Bei Pulsweitenmodulation (PWM) empfiehlt TE eine Mindestfrequenz von 20 kHz. Das Minimum der resultierenden oszillierenden Spulenspannung sollte stets über der spezifizierten Haltespannung liegen. Beim Abschalten hängt die Reaktionszeit des mechanischen Systems von der externen Beschaltung der Spule ab. Der PWM-Treiber sollte daher so beschaltet sein, dass das Öffnen der Kontakte nicht verlangsamt wird. Beachten Sie hierzu bitte die Beschaltungsempfehlungen in unseren Datenblättern. Link zum Datenblatt für das Hochvoltschütz EVC 250. Der Spulenwiderstand variiert mit der Spulentemperatur. Die magnetische Kraft hängt ausschließlich von Spulenstrom ab. Ist die PWM auf eine bestimmte Spulenspannung eingestellt, müssen diese thermischen Variationen berücksichtigt werden. Um die thermische Belastung des Systems zu minimieren, empfiehlt es sich, den Spulenstrom zu regeln, um den Einfluss der Temperatur zu kompensieren.
F: Was ist beim Betrieb eines Schützes mit einer Booster-Spule zu beachten?
A: Die Booster-Elektronik legt für einen beschränkten Zeitraum die volle Spulenspannung an eine separate Booster-Spule an. Dieser Puls wird sofort ausgelöst, wenn eine Spannung angelegt wird. Wird die erforderliche Anzugsspannung innerhalb der Gate-Zeit der Booster-Elektronik nicht erreicht, schließt das Schütz nicht. Aus diesem Grund muss die Mindest-Anzugsspannung innerhalb von 50 ms erreicht werden. Die Haltespule ist mit einer 80-V-Zenerdiode beschaltet. Zusätzlich kann parallel eine Freilaufdiode geschaltet werden. Die Abschlussspannung sollte Vz > 33 V betragen, um die Abfallzeit kurz zu halten.
F: Warum ist die Polarität der Last für ein Schütz von Bedeutung?
A: Das Unterbrechungsvermögen bei Hochspannung basiert auf rechtwinklig zu den Kontaktklemmen angebrachten Magneten. Beide Klemmen sind intern durch eine Brücke miteinander verbunden. Wenn sich die Kontaktbrücke von den feststehenden Kontakten entfernt, entstehen zwei Lichtbögen. Fließt der Strom in Vorwärtsrichtung, weisen die Magneten diese Lichtbögen nach außen ab, wodurch es zu einem schnellen Erlöschen kommt. Fließt der Strom in Rückwärtsrichtung, könnten sich die Lichtbögen im Zentrum vereinen, was sich nachteilig auf das Unterbrechungsvermögen auswirkt.
F: Welche Möglichkeiten gibt es, wenn ein bidirektionales Unterbrechungsvermögen erforderlich ist?
A: Werden zwei Schütze im Stromkreis verwendet, könnte eines davon in Vorwärts- und das andere in Rückwärtsrichtung betrieben werden. Bei gleichzeitiger Öffnung beider Schütze ist das kombinierte Unterbrechungsvermögen signifikant besser als das eines einzelnen in Vorwärtsrichtung betriebenen Schützes.
Anwendungsempfehlungen
F: Was ist bei der Verwendung von nicht hermetisch abgedichteten Relais oder Schützen hinsichtlich silikonhaltiger Materialien zu beachten?
A: Die Verwendung silikonhaltiger Materialien oder ihrer Derivate kann die einwandfreie Funktion elektrischer Kontakte beeinträchtigen. Die im Lichtbogen eines schaltenden Kontakts auftretenden Energien bewirken eine Umwandlung der flüchtigen Silikonmoleküle in Siliziumverbindungen, die sich auf der Kontaktfläche ablagern und isolierende Schichten bilden. TE Connectivity empfiehlt daher dringend, für die Verwendung vorgesehene Silikone gründlich auf ihre Kontaktkompatibilität zu testen. Für weitere Informationen und Unterstützung wenden Sie sich bitte an TE Connectivity.
F: Bietet TE Lösungen für Anwendungen über 500 VDC an?
A: Abhängig von den Koordinierungsanforderungen an die Isolierung sind Lösungen für bis zu 900 VDC verfügbar. Darüber hinaus entwickelt TE derzeit IEC 60664-konforme Lösungen, die sich für Spannungen von bis zu 1000 VDC eignen. Für weitere Details wenden Sie sich bitte an TE Connectivity.
F: Wie sollten Spulentreiber gegen die Abschalttransienten der Schützspule geschützt werden?
A: Optimal ist die Verwendung einer parallel zum Spulentreiber geschalteten Zenerdiode. Weitergehende Informationen finden Sie auch in unseren mit der jeweiligen Teilenummer verknüpften oder in unserem Produktkatalog unter „Gesamte Dokumentation anzeigen“ verfügbaren Datenblättern. In unseren „Hinweisen zu Automobilanwendungen (Englisch)“ und „Begriffsbestimmungen für Relais (Englisch)“ erfahren Sie noch mehr.
F: Gilt es hinsichtlich der Montage der Sammelschienen am Schütz etwas zu beachten?
A: Bitte beachten Sie die maximal zulässigen Drehmomente, und vermeiden Sie jegliche Fehlausrichtung zwischen der Sammelschiene und den Schützkontakten, um eine gleichmäßige Druckverteilung an der Kontaktfläche sicherzustellen. TE empfiehlt die Verwendung konischer Federscheiben. Bei der Befestigung eines Kabelschuhs sollte man sicherstellen, dass das Kabel frei und nicht eingequetscht ist.
